Большой взрыв

Как Вселенная выросла из горячего и плотного начала в паутину галактик за 13,8 миллиарда лет

Шаг за шагом

Вселенная сегодня

Галактики, нанизанные на паутину волокон вокруг пустот: Вселенная через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва. Само пространство всё ещё растягивается и разносит галактики друг от друга.

Показанная область — около 800 миллионов световых лет в поперечнике. Её галактики собираются в стены и волокна вокруг пустот шириной в сотню миллионов световых лет и больше — такой узор открыли обзоры, нанёсшие на карту миллионы галактик. Паутина здесь нарисована по простой модели, а не по карте, поэтому она похожа на настоящую, но ею не является.

Далёкие галактики удаляются от нас тем быстрее, чем они дальше: примерно на 67 км/с быстрее на каждые 3,26 миллиона световых лет. Они не летят сквозь пространство — растёт само пространство между ними. Если отмотать время назад, всё когда-то должно было быть тесно сжато.

Отматываем время назад

Если пустить время вспять, галактики сближаются, растворяются в однородном газе и исчезают во всё более горячем свете. Центра нет: откуда ни смотри, всё сближается одинаково.

Большой взрыв не был взрывом в какой-то точке пространства. Само пространство было меньше везде сразу, и в этом участвовала каждая часть нынешней Вселенной. Выберите любую галактику: при обратной перемотке все остальные приближаются к ней, так же как к нашей.

Всё, что мы видим сегодня, — теперь 93 миллиарда световых лет в поперечнике — через секунду после Большого взрыва умещалось в области около 18 световых лет. Что происходило в самый первый миг и было ли какое-то «до», пока никто не знает: наша физика может проследить Вселенную лишь до момента, когда ей была уже крошечная доля секунды.

Первая секунда

Через миллионную долю секунды пространство заполнено кварками, глюонами и светом при триллионах градусов. Примерно к стотысячной доле секунды кварки собираются в протоны и нейтроны.

Ничто сегодня не бывает таким горячим, даже ядро звезды. Вся Вселенная была густым супом из мельчайших частиц, которые сталкивались слишком часто, чтобы что-то могло удержаться вместе. По мере роста пространства она остывала, и примерно при двух триллионах градусов кварки объединились по три: в протоны и нейтроны.

Сначала нейтронов было столько же, сколько протонов. Нейтроны чуть тяжелее, поэтому при остывании их становилось меньше, пока чуть больше чем через секунду частицы не перестали превращаться друг в друга: один нейтрон на шесть протонов. К тому времени нейтрино уже ускользнули; они и сегодня заполняют пространство.

Первые минуты

Примерно между третьей и двадцатой минутами протоны и нейтроны сливаются в гелий, пока четверть всего обычного вещества не станет гелием. Потом Вселенная слишком холодна, чтобы делать больше.

Протоны и нейтроны сначала соединяются в дейтерий, но несколько минут свет ещё достаточно горяч, чтобы разбивать эти пары. Когда он остывает примерно ниже миллиарда градусов, пары выживают и быстро объединяются в гелий. Почти каждый нейтрон оказывается внутри ядра гелия.

Результат — около трёх четвертей водорода и четверть гелия по массе, со следами дейтерия и лития — это именно то, что астрономы находят в самом древнем газе и звёздах. Это одно из самых сильных доказательств того, что Большой взрыв был, и было это в первые двадцать минут Вселенной.

Светящийся туман

Следующие 370 000 лет Вселенная — это светящийся туман из ядер, электронов и света. Свет не может пройти далеко, не отразившись от электрона, поэтому сквозь него ничего не видно.

Это как быть внутри звезды, но всё более разреженной и холодной по мере роста пространства. Вещество и свет толкают и тянут друг друга, и по туману бегут звуковые волны. Оставленная ими рябь крошечная, около одной стотысячной; здесь она нарисована в тысячи раз сильнее.

Постепенно туман остывает от сотен миллионов градусов до нескольких тысяч, и его свечение меняет цвет, как у остывающей звезды: от голубовато-белого к жёлтому, а затем к оранжевому. На каждый протон или нейтрон приходится около 1,6 миллиарда частиц света.

Туман рассеивается

Примерно при 3000 градусов, около 370 000 лет после Большого взрыва, электроны оседают на ядрах, и туман становится прозрачным. Освобождённый тогда свет до сих пор приходит к нам со всех сторон: это реликтовое излучение.

Когда электроны связаны в атомы водорода и гелия, свет свободно проходит между ними. Этот свет с тех пор в пути. Растянутый растущей Вселенной до длин волн в тысячу раз больше, сегодня он приходит в виде микроволн, на 2,7 градуса выше абсолютного нуля.

Его крошечная рябь — пятна около градуса на небе — зародыши всех галактик. Спутники подробно нанесли её на карту, от COBE до WMAP и Planck; настоящая карта есть среди фотографий. Её узор говорит нам о возрасте Вселенной и о том, из чего она состоит.

Тёмные века

Пока пространство продолжает расти, остаточное свечение краснеет и гаснет. Через несколько миллионов лет видимого света не остаётся совсем, только темнота, а гравитация тем временем тихо собирает вещество в рябь.

Несколько миллионов лет небо ещё тускло светилось красным, как угли. Потом его свет ушёл в инфракрасную область, и Вселенная погрузилась во тьму. Звёзд ещё не было, только остывающий газ из водорода и гелия.

В темноте тёмная материя, которая не светит и не заслоняет свет и весит впятеро больше обычного вещества, стягивалась туда, где рябь оставила её чуть плотнее, а газ следовал за ней. Здесь она нарисована синим; на самом деле она невидима.

Первый свет

Через сто — двести миллионов лет в самых плотных узлах паутины загораются первые звёзды и собираются первые галактики. Их свет понемногу расчищает газ вокруг них.

Первые звёзды, вероятно, были огромными, горячими и недолговечными и состояли только из водорода и гелия; ни одна пока не найдена. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» видел галактики, сиявшие уже меньше чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва.

Ультрафиолетовый свет молодых галактик снова разбил окружающие атомы водорода, и примерно к миллиарду лет газ между галактиками стал прозрачным. Их звёзды также выковали первые тяжёлые элементы, от углерода до железа, из которых потом были сделаны звёзды и планеты.

Паутина растёт

За миллиарды лет галактики растут и сливаются вдоль паутины. Солнце образуется через 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, а последние шесть миллиардов лет пространство растёт всё быстрее.

Большинство звёзд родилось, когда Вселенной было от двух до шести миллиардов лет; с тех пор рождение звёзд замедлилось примерно в десять раз. Солнце и Земля образовались из газа, уже обогащённого поколениями более ранних звёзд, около 4,6 миллиарда лет назад.

В 1998 году астрономы обнаружили, что далёкие взрывающиеся звёзды тусклее, чем ожидалось: расширение ускоряется. То, что его движет, — так называемая тёмная энергия — сегодня составляет около 68% Вселенной. Что это такое, остаётся одним из главных открытых вопросов физики.