Другие этапы Большого взрыва

Последовательность процессов, происходящих после фазового перехода в обычный вакуум, при степенном (пропорционально степени 2/3) темпе расширения нашей Вселенной, более уверенно описывается теориями объединенных взаимодействий. Мы выделим лишь самые характерные моменты.

Фаза инфляции занимает чрезвычайно малое время. При выходе из нее температура настолько высока, что частицы вещества существовать не могут. Поэтому Вселенная заполнена квантами полей. Фотоны рождают пары частиц и античастиц, которые тут же аннигилируют. Температура излучения соответствует 10¹⁴ К. С понижением температуры Вселенной по закону.

начинаются реакции рождения частиц вещества, и примерно до 1 мкс Вселенная заполнена «бульоном» из фотонов, кварков и лептонов, причем квантов излучения намного больше (в 10⁵ раз).

На рубеже нескольких микросекунд происходит образование адронов из кварков и антикварков, в том числе появляются протоны и антипротоны. Необходимо заметить, что между веществом и антивеществом есть небольшое нарушение «паритета»: частиц обычного вещества накапливается немного больше, чем антивещества. Нейтрино и электроны превращаются друг в друга, по мере понижения температуры реакция сдвигается в сторону накопления все большего числа электронов.

На рубеже миллисекунд накопившихся электронов так много, что начинают образовываться нейтроны, когда электроны соединяются с протонами. Свободные нейтроны нестабильны, среднее время их существования до распада на протон и электрон равно 100 с, поэтому последующие несколько минут являются решающими для синтеза ядер гелия.

По истечении трех минут температура снижается до 10⁸ К и нуклеосинтез практически прекращается, вещество становится слишком холодным для протекания таких реакций по всему объему Вселенной.

За первые минуты около четверти прогонов (ядер водорода) успевают превратиться в ядра гелия ⁴Не, трития ⁴Н, дейтерия ²Н и лития ⁷Li. Остальные протоны «пойдут» в последующем на образование молекулярных облаков, звезд и галактик.

Спустя примерно 300 000 лет температура снижается до нескольких тысяч кельвинов, это уже позволяет ядрам удерживать электроны на орбитах. Фотоны электромагнитного излучения, всегда бывшие в тепловом равновесии с веществом, при такой температуре уже не могут ионизовать атомы водорода или гелия. Это значит, что они больше нс поглощаются веществом, заполняющим Вселенную, и она становится для них прозрачной.

Образно говоря, с этого времени «расходятся пути» вещества и излучения, теплового равновесия между ними больше нет. Именно это изотропное и однородное тепловое излучение доходит до настоящего времени как реликтовое. Но почему максимум спектра соответствует нескольким кельвинам, а не нескольким тысячам кельвинов?

Так как нет поглощения, спектр фотонов остается планковским. Если бы расширения Вселенной не происходило, спектр оставался бы неизменным. В расширяющемся пространстве импульсы всех фотонов (по отношению к нему) уменьшаются. Конечно, скорость фотонов остается равной скорости света, но импульс определяется произведением динамической массы фотона на скорость света, и уменьшается именно масса каждого из фотонов. В целом происходит «покраснение» всего планковского спектра так, что максимум смещается в область миллиметрового радиодиапазона.

Первые галактики и квазары формируются из гравитационно скученных облаков молекулярного водорода через миллиард лет после начала расширения. До появления звезд во вселенной был период, когда все пространство было заполнено инфракрасным излучением уже остывшей Вселенной (темные времена, см. рис. 81).

Затем появляется световое электромагнитное излучение первичных звезд, но оно уже никак не связано с фоновым излучением, равномерно и изотропно распределенном в пространстве Вселенной.