Космологія Великого вибуху
Всесвіт виник ~13,8 мільярда років тому в стані екстремальної густини й температури. З області, меншої за протон, він розширився, породивши трильйони галактик, мільярди зірок, а щонайменше на одній кам'янистій планеті — істот, що намагаються збагнути, як це сталося.
1. Докази Великого вибуху
Великий вибух — це не здогад: він підкріплений трьома незалежними стовпами доказів:
- Розширення Габбла: галактики віддаляються тим швидше, чим вони далі (закон Габбла, 1929). Прокручуючи час назад, усе сходиться до єдиної точки ~13,8 мільярда років тому. (Стала Габбла H₀ ≈ 67–73 км/с/Мпк.)
- Реліктове випромінювання: однорідне теплове сяйво при 2,725 K, що пронизує весь простір — охолоджене післясвітіння гарячого раннього Всесвіту, вперше виявлене Пензіасом і Вілсоном (1965) та відображене з надзвичайною деталізацією супутниками COBE, WMAP і Planck.
- Первинний нуклеосинтез: теорія передбачає, що в перші кілька хвилин синтезувалося ~75% водню, ~25% гелію (за масою) і слідові кількості дейтерію та літію. Це з надзвичайною точністю збігається зі спостережуваним вмістом первинних елементів.
2. Хронологія Всесвіту
3. Космічна інфляція
До ~10⁻³² секунди щось спричинило експоненційне розширення простору — космічну інфляцію (Гут 1980, Лінде, Старобінський). Інфляцію запропонували, щоб розв'язати три загадки:
- Проблема горизонту: реліктове випромінювання однорідне з точністю до 1 частини на 100 000 в усіх напрямках. Але області, віддалені більш ніж на ~2°, ніколи не були в причинному контакті. Інфляція розтягнула крихітну причинно зв'язану область до розмірів усього спостережуваного Всесвіту.
- Проблема пласкості: Всесвіт просторово плаский із надзвичайною точністю. Пласкість нестійка — будь-яка незначна кривина на ранніх етапах зростає. Інфляція спрямовує просторову кривину до нуля.
- Проблема монополів: теорії великого об'єднання передбачають магнітні монополі; інфляція розводить їх до невиявних густин.
Інфляцію рухає гіпотетичне скалярне поле (інфлатон) з потенціальною енергією, що домінує в тензорі енергії-імпульсу та діє як відштовхувальна космологічна стала. Коли поле «скочується» до свого мінімуму, інфляція завершується («повторне нагрівання»), і відновлюється звичайна фізика частинок. Жодного інфлатона не виявлено; механізм досі не підтверджено.
4. Первинний нуклеосинтез
Між ~1 секундою та ~3 хвилинами Всесвіт був ядерним реактором. Температура впала з ~10¹⁰ K до ~10⁹ K — вікно для ядерного синтезу. Співвідношення нейтронів до протонів (заморожене на ~1:7, коли слабкі взаємодії відокремлюються) визначає кінцевий вміст:
Вміст дейтерію — найчистіший зонд баріонної густини Всесвіту: більше баріонів → більше D вигоряє в ⁴He → менше D зберігається. Спостереження D/H у системах поглинання з великим червоним зміщенням дають Ω_b h² = 0.0224 — що незалежно збігається зі спостереженнями реліктового випромінювання Planck.
Проблема літію: стандартний первинний нуклеосинтез передбачає у 3× більше ⁷Li, ніж спостерігається у старих зірках гало. Або зірки знищили літій, або тут діє нова фізика. Досі не розв'язано.
5. Реліктове випромінювання
Під час рекомбінації (z ≈ 1100, t ≈ 380 000 р.) Всесвіт охолонув достатньо, щоб електрони й протони поєдналися у водень. Всесвіт перейшов від непрозорої плазми до прозорого газу, вивільнивши фотони, що відтоді рухаються вільно — реліктове випромінювання.
Сьогодні реліктове випромінювання являє собою майже ідеальне випромінювання абсолютно чорного тіла при T = 2.72548 K. Крихітні флуктуації температури (ΔT/T ~ 10⁻⁵) відображають флуктуації густини в первинній плазмі — зародки всієї структури. Кутовий спектр потужності (Cℓ від ℓ) має піки на певних кутових масштабах, що відповідають акустичним коливанням у первинній плазмі до рекомбінації.
- Перший пік (~1°): розмір горизонту під час рекомбінації. Розмір обмежує повну густину → плаский Всесвіт.
- Співвідношення висот непарних/парних піків: обмежує баріонну густину.
- Положення піків: обмежують темну енергію та просторову кривину.
Супутник Planck (2009–2018) виміряв спектр потужності реліктового випромінювання з вишуканою точністю, уточнивши космологічні параметри: H₀ = 67.4, Ω_m = 0.315, Ω_Λ = 0.685.
6. Формування структур
Флуктуації густини, закарбовані інфляцією (і відстежувані в реліктовому випромінюванні), стали зародками космічної структури. Темна матерія — невидима, але гравітуюча — першою колапсувала в гало. Звичайна матерія падала в потенціальні ями темної матерії, утворюючи галактики.
Процес є ієрархічним (знизу вгору в холодній темній матерії): спершу формувалися малі структури, які зливалися у більші. Чисельні симуляції задачі N тіл (Millennium, IllustrisTNG, EAGLE) відтворюють спостережувану космічну павутину — філаменти, площини, порожнечі та скупчення — починаючи з початкових умов реліктового випромінювання.
Акустичні коливання в ранній плазмі також проявляються як «баріонні акустичні осциляції» (BAO) у великомасштабному розподілі галактик на масштабі ~150 Мпк — це стандартна лінійка для вимірювання космологічних відстаней.
7. Модель ΛCDM
Модель холодної темної матерії з Λ (Λ Cold Dark Matter) — це стандартна модель космології. Її склад сьогодні:
- Λ (темна енергія, ~68%): космологічна стала, що спричиняє прискорене розширення від z ≈ 0.4. w = −1 (рівняння стану). Походження невідоме.
- Холодна темна матерія (~27%): небаріонні, несвітні, нерелятивістські частинки. Докази: криві обертання, гравітаційне лінзування, реліктове випромінювання, структура. Природа частинок невідома (WIMP, аксіони, стерильні нейтрино...?).
- Звичайна (баріонна) матерія (~5%): атоми — усе, що ми коли-небудь безпосередньо спостерігали.