Ранний этап химической эволюции Вселенной

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная состоит на 99% из водорода и гелия, но в первоначальном плазмоподобном сгустке не было ни водорода, ни гелия. Теория Большого взрыва утверждает, что от появления протовещества до образования ядер водорода и гелия прошло немногим более трёх секунд. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразо-вания определялись процессами расширения и остывания сгустка.

В течение первой секунды температура снизилась до 10 млрд градусов. К 14-й секунде температура упала до 3 млрд градусов и при этом появились условия для соединения и аннигиляции электронов (e^-) и позитронов (e⁺):

e⁺ + e ^- = hν

Спустя 3 минуты 2 секунды после “начала” температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование ранней Вселенной и начался процесс соединения протонов (р) и нейтронов (n) в составные ядра - нуклеосинтез.).

2p + 2n = He²⁺

Через полчаса после “начала” барионное вещество Вселенной состояло из 28% гелия, остальное - ядра водорода (протоны). Но барионное вещество - это ничтожная часть Вселенной, её основными континентами были фотоны и нейтрино.

Затем почти 500 тысяч лет шло медленное остывание. Вселенная, ос-таваясь однородной, становилась всё более разреженной. Когда она остыла примерно до 3 –4 тысяч К, протоны (ядра водорода) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия.

р + e ^- = H

He²⁺ + 2 e ^- = He

Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало то, что в нашу эпоху советский астрофизик И. Шкловский назвал реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуре барионного вещества в момент разделения. Сегодня его энергия снизилась до температуры всего 3 К. Оно излучает радиоволны в сантиметровом диапа-зоне (l = 7см). Эти радиоволны были открыты в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном, и примерно в это же время объяснены учениками Г. Гамова Дикке и Пиблсом как излучение горячей Вселенной. Радиоволны стали серьёзным подтверждением концепции “горячей” Вселенной, выдвинутой в 1948 г. Г. Гамовым. Они равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-нибудь отдельным радиоисточником.

В результате мы имеем однородную Вселенную, представляющую собой смесь трёх почти не взаимодействующих субстанций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). Плотность вещества во Вселенной ничтожна, в среднем, 1 атом в 1 см³. Для сравнения, в 1 см³ воздуха находится 2,7·10¹⁹ атомов, в самых совершенных вакуумных камерах – 10³.

В сложившихся условиях, когда уже нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, перспективой было бы дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием “лептонной пустыни” - чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошёл скачок, создавший современную структурную Вселенную. По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет.