Детство Вселенной. Что было после Большого взрыва и как это увидеть в телескоп

4 сентября 2019, 09:15

Фото © Shutterstock

<p>Фото © Shutterstock</p>

Big Bang!

Кстати говоря, то, что произошло 14 миллиардов лет назад, взрывом можно назвать с большой натяжкой, хотя бы потому, что взрывов в абсолютном вакууме не бывает. В любом случае физики убеждены, что это произошло. Невообразимо плотная материя, заключённая в невероятно малом пространстве, в конце концов не смогла больше держаться. Почему и как — это уже другое дело.

Что же было? Фантастическая, не поддающаяся описанию вспышка. Во все стороны полетело то, что учёные пытаются понять, но не могут. Свет. Фотоны, те самые, которые являются одновременно и частицами, и волнами. А ещё кварки, лептоны, бозоны, ради которых теперь коллайдеры строят, лишь бы добиться наконец хоть какого-то удобоваримого представления о том, что же это всё-таки за штуки такие и как они устроены.

VIA GIPHY

VIA GIPHY

И стал свет

В самые-самые первые мгновения был сплошной хаос — всюду возникают античастицы, тут же сталкиваются с частицами и взаимно аннигилируют, что в переводе означает "бдыщ". Уничтожаются. Вместе. Но! Поскольку у нас на десять девчонок по статистике девять ребят, какая-нибудь частичка обязательно останется неприкаянной. В данном случае это хорошо — она хоть жива. Со временем таких "безмужних", но целых и невредимых накапливается больше и больше. Из них-то и возникло всё на сей момент сущее. А если бы все-все нашли свой антипод, то, собственно, ничего бы сейчас не было. Ни галактик, ни нас с вами. То есть, если вам вдруг встретится плавящее мозг словосочетание "асимметрия вещества и антивещества", — это вот об этом.

Уже через какую-то миллионную долю секунды стало не так жарко, и уцелевшие частицы смогли вступать друг с другом уже в нормальный контакт, не смертоносный. Кварк плюс кварк равно любовь. Простите, равно адрон. То есть получились уже частицы потяжелее. Адрон, между прочим, от древнегреческого слова "хадрос" — "толстый".

Потом эти "толстяки" тоже решили объединиться с себе подобными, так стали возникать протоны, нейтроны, то есть уже что-то нам с вами более-менее знакомое. И, наконец, протоны по той же схеме стали "жениться" на других протонах, иногда усыновляли нейтроны и создавали семьи под названием — да, атомы.

Первые атомы

Какой же химический элемент возник первым во Вселенной? Логика подсказывает, что самый что ни на есть простой. Смотрим на таблицу Менделеева, и первое, что видим, — водород. Один протон, один электрон. Ничего проще тут нет. И это — правильный ответ!

Вот. Добрались. На это у нас потребовалось 380 тысяч лет. Если задуматься, что такое вся история человечества по сравнению с этим?

Тьма и рассвет

Так вот. Водородом стало 90 процентов всего и вся. Остальное — его более тяжёлые версии, например дейтерий (собственно, тот же водород, который приютил нейтрон, вот и вся разница), плюс самая малость гелия (два протона, два нейтрона, два электрона), лития (уже более многочисленное семейство: три, четыре, три). Поскольку водород в своём обычном состоянии как-то не очень взаимодействует с фотонами, стало резко темно. На сотни миллионов лет. Эту эру учёные так и назвали — "тёмные века".

Позже из атомов стали слепляться первые звёзды, и уже внутри них начали создаваться всевозможные хитрые комбинации протонов, нейтронов и электронов. И излучение от этих новорождённых звёзд было таким мощным, что оно попросту "сдувало шляпы" у атомов близлежащего водорода — вышибало из них электроны. А если у атома отобрать электрон, получится ион. Положительно заряженный. Потому как электрон у нас со знаком минус. Минус убрали, и весь баланс уже нарушился. Остался один плюсовой протон.

И вот выбитые таким образом электроны куда-то уносит, а по дороге они врезаются в нормальные, полноценные атомы и присоединяются к ним. Это получаются уже, стало быть, отрицательные ионы.

Такое дело называется повторной ионизацией, или реионизацией. И этот вот процесс в юной Вселенной очень сильно интересует астрофизиков, поскольку именно в это самое время она начала становиться такой, какой мы её видим сейчас. В эпоху реионизации. Это тот самый край, до которого учёные хотят дотянуться. И даже знают как. Дело в том, что во время всех этих передвижений и переездов из одного атома в другой электроны сначала поглощают, а потом, наоборот, отдают энергию. В виде фотонов. Электрон ушёл — съел фотон. Заселился в другой дом — фотон отдал, кушайте на здоровье. И вот когда отдал, его стало видно. То есть такие ионы уже засветились. Это был рассвет во Вселенной.

И представьте себе, свет этот имел совершенно определённую длину волны, довольно-таки внушительную — 21 сантиметр. Вот он — тот самый маркер, который астрономы хотят засечь. В телескоп. То есть, как увидят в бескрайних глубинах космоса свет от ионизированного водорода — всё! Считай, увидели детскую фотографию Вселенной.

Взгляд в прошлое

Чтобы добраться до такого, я извиняюсь, пожелтевшего снимка, а лучше сказать — отправиться в путешествие в прошлое на 14 миллиардов лет назад, уже имеется соответствующая машина времени: телескоп HERA — Hydrogen Epoch of Reionization Array. В переводе — "Эпоха реионизации водорода", а Array — это "решётка", или "матрица", потому что это действительно такая 300-метровая решётка в виде шестиугольника, на которой установлены 14-метровые тарелки. В количестве трёх сотен. Даже больше. Так надо, чтобы чувствительность была как можно больше, а значит, данные — как можно точнее. Стоит эта матрица в Южной Африке.

Радиотелескоп HERA в Южной Африке в 2016 году. Фото © HERA

Радиотелескоп HERA в Южной Африке в 2016 году. Фото © HERA

Да-да, это такой телескоп. Радиотелескоп. Антенны ловят излучение на частотах от 50 до 350 мегагерц — как раз примерно в том диапазоне, который соответствует длине волны в 21 сантиметр. На них сейчас надеется вся мировая космология. Мечта учёных — не просто увидеть детство Вселенной, но и сделать 3D-карту, на которой будет объёмное изображение первого возникшего в ней вещества. Заглянуть почти в самое начало времён.

Авторы

Комментариев: 0

avatar
Для комментирования авторизуйтесь!
Layer 1