Развитие Вселенной.

Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным. Он занимает ничтожно малый промежуток времени - до 10^-33 с после взрыва. С началом стремительного расширения во Вселенной возникает пространство и время. Вселенная раздувается до гигантского пузыря, превышающего на несколько порядков радиус современной Вселенной. Частицы вещества в этот период полностью отсутствуют. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной.

После инфляции начался горячий этап в развитии Вселенной. Всплеск тепла был обусловлен огромным запасам энергии, заключенным в «ложном» вакууме. После распада вакуума его энергия выделилась в виде излучения, разогревшую Вселенную до 10²⁷К. При этой температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Существовал единый тип взаимодействия, в котором роль частицы-посредника выполнял Х-бозон - тяжелая частица, превышающая массу протона в 10¹⁴ раз.

Отделение сильного взаимодействия от электрослабого произошло через 10^-33 с после «начала». Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. После прекращения переходов кварков в лептоны, число частиц несколько превысило число античастиц, нарушив симметрию мира. Это в дальнейшем определило развитие вещества Вселенной - галактик, звезд, планет и т. д.

Разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное произошло в на 10^-10 с,когда температура снизилась до 10¹⁵К. Электрослабый бозон разделился на фотон и три тяжелых векторных бозона. С этого момента во Вселенной стали существовать все четыре типа фундаментальных физических взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Слияние кварков в адроны происходит при снижении температуры до 10¹⁵К.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Частицы и античастицы аннигилируют, порождая фотоны и энергию. Такое состояние было через 0,01 с после начала развития.

Отделение нейтрино и антинейтрино от газовой смеси произошло в течение первой секунды, когда температура снизилась до 10 млрд. градусов.

Соединение и аннигиляция электронов и позитронов возникло на 14 секунде развития, при снижении температуры до 10¹³ К во Вселенной рождались и гибли (аннигилировали) пары различных частиц и их античастиц. При понижении температуры до 5х10¹² К почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в кванты излучения; остались только те из них, для которых "не хватило" античастиц. Фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы. Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную долю (одну миллиардную) от их общего числа. Именно из этих "избыточных" протонов и нейтронов в основном состоит вещество современной наблюдаемой Вселенной.
Избыток электронов компенсировал положительный заряд протонов. Часть протонов превратилась в свободные нейтроны, определив их соотношение 8:1. Установившаяся пропорция сохранилась до настоящего времени. Такое же соотношение во Вселенной водорода и гелия. Формирование ранней Вселенной завершилось спустя 3 минуты 2 секунды от начала развития.

Нуклеосинтез, т. е. соединение протонов и нейтронов в ядра, начался при падении температуры до миллиарда градусов. Через полчаса после «начала» барионное вещество (ядра атомов) состояло из 28 % гелия, остальная часть - ядра водорода (протоны). Вещество составляло лишь ничтожную часть Вселенной. Основными же ее компонентами были фотоны и нейтрино.

Этап медленного остывания продолжался почти 500 тысяч лет. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов ядра водорода (протоны) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны, и превращаться в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало реликтовое излучение. В настоящее время оно сохранилось в виде радиоволн сантиметрового диапазона, которые равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-либо радиоисточником.

В результате возникла однородная Вселенная, представляющая собой смесь трех субстанций:

· · лептонов (нейтрино и антинейтрино);

· · реликтового излучения;

· · вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов).

Важнейшим узловым этапом эволюции Вселенной стало образование всей совокупности химических элементов. Они появились в звездах в ходе звездного нуклеосинтеза.

Тяжелые элементы образовались в звездах типа красных гигантов, которые обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную. Водород в них выгорает очень быстро. В центре, где сосредоточен гелий, их температура составляет нескольких сотен миллионов градусов, что достаточно для протекания реакций углеродного цикла - слияния ядер гелия в углерод. Ядро углерода может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона, кремния и т. д. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нем поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются до образования атомов железа. Ядро железа - самое устойчивое из всех химических элементов. Протекание реакций с образованием более тяжелых ядер требует больших энергетических затрат. Образование в недрах красных гигантов элементов от железа до висмута происходит в процессе медленного захвата нейтронов, а более тяжелые ядра предположительно возникают при звездных взрывах.

Красные гиганты имеют относительно короткий жизненный цикл, порядка десятка миллионов лет, поэтому межзвездная среда сравнительно быстро насыщается химическими элементами тяжелее гелия.

Следующим важнейшим этапом в формировании структур Вселенной является объединение атомов химических элементов в молекулы. В основе этих процессов находится электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде встречаются молекулы водорода, мельчайшие пылинки, в основе которых находятся кристаллы льда или углерод с примесью различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака, а скопления газов вместе с пылинками - газово-пылевые облака.

Неожиданным открытием стало обнаружение в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до аминокислот. В настоящее время в межзвездных облаках их насчитывают более 50 видов. Еще более удивительно то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, достаточно распространенное явление в космосе.

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».