Поверхность последнего рассеяния
После окончания стадии первичного нуклеосинтеза содержимое Вселенной начало понемногу успокаиваться. К этому моменту смесь частиц была уже более или менее стабильной и оставалась таковой вплоть до появления первых звезд миллионы лет спустя. Однако на протяжении многих сотен тысяч лет космос все еще представлял собой горячую, гудящую плазму, состоящую в основном из ядер водорода и гелия и свободных электронов, между которыми сновали фотоны (частицы света).
С течением времени Вселенная расширялась, и излучение и материя распространялись. Иногда я представляю эту фазу ранней Вселенной в виде путешествия из центра Солнца наружу, только вместо движения в пространстве в данном случае происходит движение во времени. Оно начинается из центра Солнца, где температура и плотность настолько высоки, что атомные ядра сливаются друг с другом, образуя новые элементы. Внутренняя часть Солнца заполнена светом. Фотоны непрерывно отскакивают от электронов и протонов с такой силой, что им могут потребоваться сотни тысяч лет для того, чтобы достичь поверхности. По мере приближения к ней плазма становится все менее плотной, благодаря чему свет может перемещаться на большие расстояния, не сталкиваясь с препятствиями. После достижения поверхности он может свободно распространяться в космосе.
Аналогичным образом, в результате путешествия во времени, длившегося примерно 380 000 лет, начиная с первых минут существования Вселенной, весь космос превратился из горячей плотной плазмы в охлаждающийся газ из протонов и электронов, способных объединиться в нейтральные атомы, позволяя свету свободно распространяться между ними вместо того, чтобы постоянно отскакивать от заряженных частиц. Мы называем конец этой стадии огненного шара ранней Вселенной «поверхностью последнего рассеяния», поскольку речь идет о своего рода поверхности во времени, когда свет высвобождается из плазменной ловушки и получает возможность беспрепятственно путешествовать сквозь космос.
Именно это мы видим, когда наблюдаем космическое микроволновое фоновое излучение: момент, определяющий окончание Горячего Большого взрыва и переход ко Вселенной, в которой свет распространяется в темном и безмолвном пространстве. Этот момент также можно считать началом космического периода Темных веков, – промежутка времени, в течение которого газ медленно охлаждался и конденсировался в сгустки под воздействием первичных колебаний плотности. Примерно у отметки в 100 миллионов лет один из этих сгустков становится настолько плотным, что на его месте вспыхивает звезда, знаменующая начало эпохи, получившей название «Космический рассвет».
Космический рассвет
Превращение темной, наполненной газом Вселенной в космос, залитый светом звезд и галактик, в основном было обусловлено некой экзотической материей, которую нам пока не удалось воссоздать в самых мощных ускорителях частиц. Наряду с излучением, газообразным водородом и другими первичными элементами в ранней Вселенной существовало вещество, которое мы называем темной материей. Хотя на самом деле она не темная, а невидимая, – кажется, что она совершенно не желает каким-либо образом взаимодействовать со светом. Она ничего не излучает, не поглощает и не отражает. Насколько мы можем судить, луч света просто проходит сгусток темной материи насквозь. Однако темная материя способна оказывать гравитационное воздействие. Когда обычная материя пытается сконденсироваться в сгусток под действием собственной гравитации, она испытывает давление, направленное в обратную сторону. Однако темная материя способна конденсироваться, не ощущая воздействия этой силы. Побочным эффектом отсутствия взаимодействия со светом оказалось то, что эта материя вообще ни с чем не взаимодействует, поскольку в большинстве случаев столкновения между частицами материи происходят вследствие электростатического отталкивания, условием которого является взаимодействие со светом. (Фотоны представляют собой частицы света, однако они также переносят электромагнитное взаимодействие, поэтому нечто невидимое не испытывает электромагнитного притяжения или отталкивания). Нет электромагнетизма – нет давления.
Первые небольшие сгустки вещества, сформировавшиеся в результате колебания плотности в конце фазы инфляции, состояли из радиации, темной и обычной материи. Поскольку обычное вещество испытывало на себе воздействие давления и смешивалось с излучением, поначалу только темная материя могла слипаться под влиянием гравитации. Позднее, когда Вселенная расширилась еще больше, позволив радиации распространиться, а материи остыть, газ смог попасть в эти гравитационные колодцы и сконденсироваться в звезды и галактики. Даже сегодня структура материи в самых больших масштабах, то есть космическая сеть галактик и их скоплений, поддерживается паутиной из сгустков и нитей темной материи. В эпоху космического рассвета эти невидимые сгустки и нити начали светиться по мере того, как звезды и галактики зажигались в темноте, словно сказочные огоньки.
Эпоха галактик
Следующий переходный момент в развитии Вселенной наступил тогда, когда в космосе появилось столько звездного света, что он ионизировал окружающий газ, который к окончанию стадии огненного шара стал нейтральным. Интенсивный звездный свет снова разделил атомы водорода на свободные электроны и протоны, породив гигантские пузыри ионизованного газообразного водорода, окружающие самые яркие скопления галактик. Формирование этих расширяющихся пузырей ознаменовало начало эпохи реионизации (приставка «ре» говорит о том, что газ был ионизирован в самом начале во время Большого взрыва, а теперь подвергся повторной ионизации светом звезд). Этот переходный процесс, который завершился где-то у отметки в миллиард лет, в настоящее время является одним из рубежей наблюдательной астрономии, и мы еще только начинаем понимать, как и когда он произошел. На протяжении следующих 13 миллиардов лет происходило примерно одно и то же: галактики формировались и объединялись, сверхмассивные черные дыры накапливали массу в центрах галактик, рождались и жили своей жизнью новые звезды.
Итак, в конце концов мы очутились в том космосе, каким мы его видим сегодня, – в этой огромной и прекрасной паутине галактик, сияющих во тьме. Наша собственная бело-голубая планета вращается вокруг умеренного размера желтой звезды в галактике, которая по всем параметрам близка к средней. И, несмотря на то что нам до сих пор не удавалось обнаружить однозначных признаков этого, наша ничем не примечательная галактика вполне может изобиловать жизнью, поскольку взрывы сверхновых звезд уже давно обеспечили каждый из миллиардов миров основными компонентами для развития биологических форм. Согласно текущим оценкам, в каждой десятой звездной системе есть планета, чей размер и расстояние до звезды позволяет воде на поверхности находиться в жидком состоянии, что может служить признаком существования жизни. В триллионе других галактик в наблюдаемой Вселенной может обитать бесчисленное множество различных видов существ со своей цивилизацией, искусством, культурой, наукой и совершенно особым взглядом на историю космоса. В каждом из этих миров существа, похожие или сильно отличающиеся от нас, тоже могут обнаружить слабый гул космического микроволнового фонового излучения, прийти к выводу о произошедшем когда-то Большом взрыве и к пониманию того, что наш общий космос существовал не всегда, а имел начало, первую частицу и первую звезду.
