[Перевод] Когда во Вселенной появился первый свет?
Скорость света даёт нам в руки удивительный инструмент для изучения Вселенной. Поскольку свет перемещается со скоростью всего около 300 000 км/с, глядя на удалённые объекты, мы заглядываем в прошлое.
Мы видим Солнце не непосредственно, а Солнце 8-ми минутной давности. Мы видим Бетельгейзе 642 года назад. Андромеду 2,5 миллиона лет назад. И так можно продолжать далее, заглядывая дальше в пространстве и глубже в прошлое. Поскольку Вселенная расширяется, удалённые объекты раньше были ближе.
Если запустить часы в обратную сторону, и довести их до начала, то вы прибудете в место, бывшее горячее и плотное, чем сегодняшняя Вселенная. Оно было таким плотным, что вся Вселенная сразу после Большого взрыва представляла собой суп из протонов, нейтронов и электронов, которые ничто не удерживало вместе.
После того, как она немного расширилась и охладилась, её плотность и температура стали напоминать то, что происходит в центре звезды вроде нашего Солнца. Она стала достаточно холодной для того, чтобы начали появляться ионизированные атомы водорода.
Поскольку условия во Вселенной соответствовали тому, что происходит в ядре звезды, температуры и давления было достаточно для того, чтобы синтезировать из водорода гелий и другие, более тяжёлые элементы. На основании пропорций наличия элементов во Вселенной сегодня: 74% водорода, 25% гелия и 1% всякого разного, мы знаем, как долго Вселенная находилась в этом «звёздном» состоянии.
Это длилось около 17 минут. От 3 минут, прошедших с момента Большого взрыва, до 20 минут, прошедших с этого момента. И в эти мгновения клоуны собрали столько гелия, что должно хватить на целую жизнь преследования ими людей при помощи скрученных из шариков животных.
Процесс синтеза создаёт фотоны гамма-излучения. В ядре Солнца эти фотоны скачут от атома до атома, прорываются из ядра наружу, через испускающую зону Солнца, и в итоге вылетают в космос. Этот процесс может занять десятки тысяч лет. Но в ранней Вселенной этим изначальным фотонам гамма-излучения деваться было некуда. Повсюду располагалась горячая и плотная Вселенная.
Вселенная продолжала расширяться, и в итоге, всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва, она охладилась достаточно для того, чтобы эти атомы водорода и гелия начали притягивать свободные электроны и превращаться в нейтральные атомы.
Это и был момент появления первого света во Вселенной, между 240 000 и 300 000 годами после Большого взрыва, известный, как эпоха рекомбинации. Впервые фотоны могли немного передохнуть, будучи привязанными к атомам в виде электронов. В этот момент Вселенная превратилась из непрозрачной в прозрачную.
Это самый ранний свет, в принципе доступный астрономам для наблюдения. Давайте хором скажем: Космическое Микроволновое Фоновое Излучение [или реликтовое излучение — прим. перев.]. Поскольку Вселенная с тех пор расширяется уже 13,8 млрд лет, те самые первые фотоны растянулись, испытав красное смещение, и, пройдя ультрафиолет и видимую часть, перешли в микроволновую часть спектра.
Если бы мы могли видеть Вселенную микроволновыми глазами, этот первый взрыв излучения был бы виден в любом направлении. Вселенная празднует своё существование.
После первого взрыва света всё было тёмным, не было звёзд и галактик, только огромное количество изначальных элементов. В начале тёмных веков температура всей Вселенной составляла порядка 4000 К. Сравните это с сегодняшним показателем в 2,7 К. К концу тёмных веков, 150 млн лет спустя, температура опустилась до более разумных 60 К.
В последующие 850 млн лет эти элементы собрались в огромные звёзды из чистого водорода и гелия. Без более тяжёлых элементов могли формироваться звёзды, в десятки и даже сотни раз превышающие по массе наше Солнца. Это звёздное население III, первые звёзды, для наблюдения которых у нас пока нет достаточно мощных телескопов. Астрономы предполагают, что они сформировались спустя примерно 560 млн лет после Большого взрыва.
Затем первые звёзды взрывались как сверхновые, формировались более массивные звёзды, и также взрывались. Очень сложно представить, как всё это выглядело, когда звёзды взрывались будто фейерверки. Но мы знаем, что эти события были настолько частыми и настолько мощными, что они осветили всю Вселенную в эпоху реионизации. Большую часть Вселенной занимала горячая плазма.
Ранняя Вселенная была горячей и ужасной, и в ней не было достаточно тяжёлых элементов, на которых зиждется известная нам жизнь. Кислород нельзя получить без синтеза в звезде, даже в нескольких поколениях звёзд. Наша Солнечная система возникла в результате многих поколений сверхновых, взрывавшихся и засеивавших наш район космоса всё более тяжёлыми элементами.
Я уже упомянул, что Вселенная охладилась с 4000 К до 60 К. Но после примерно 10 млн лет с момента Большого взрыва температура Вселенной ещё составляла порядка 100 С, то есть температуру кипения воды. А ещё через 7 млн лет она охладилась до 0 С, температуры замерзания воды.
Что привело астрономов к мысли, что примерно 7 миллионов лет повсюду во Вселенной можно было найти жидкую воду. А на Земле, где бы мы ни нашли жидкую воду, там же встречается и жизнь.
Возможно, что примитивная жизнь могла сформироваться, когда Вселенной было всего 10 млн лет. Физик Ави Лёб [Avi Loeb] называет это время эпохой обитаемой Вселенной. Никаких доказательств этой возможности нет, но идея очень крутая.
Меня всегда поражает мысль, что вокруг нас в любом направлении существует первый свет, испущенный Вселенной. Ему потребовалось 13,8 млрд лет, чтобы дойти до нас, и хотя для его наблюдения нам нужны микроволновые глаза, он существует, и повсеместен.
