Наша эпоха, когда существуют планетные системы и возможна жизнь, в данном масштабе не больше ширины штрихов линии, обозначающей современную Вселенную на рис. 27.1 (справа). А между стадией инфляции и электрослабым фазовым переходом лежит самая долгая в логарифмическом плане эпоха, про которую мы мало что можем сказать. Есть подозрение, что в эту эпоху не происходило ничего интересного: по своей температуре эпоха соответствует так называемой Великой энергетической пустыне — области от сотен гигаэлектронвольт до 1016 ГэВ. Вероятно, где-то там сформировалась барионная асимметрия, возможно, жили разнообразные супер-симметричные партнеры нынешних частиц — фотино, скварки… Конечно, никто не даст голову на отсечение, что и посредине пустыни не происходило что-то интересное, просто это никак не просматривается из физики частиц в ее современном состоянии.
Могли ли на этом логарифмически длиннейшем отрезке истории случиться «искусства, знанья, войны, троны и память сорока веков»? Для этого прежде всего нужны частицы с массой, на много порядков превосходящей температуру Вселенной. Сейчас температура 3·10-4 эВ — масса электрона на 9 порядков больше. В принципе, такие частицы могли остаться от эпохи окончания инфляции — с массой чуть меньшей, чем масштаб великого объединения, скажем, 10-5 ГэВ. Допустим, есть какой-то закон сохранения, заставляющий эти частицы жить долго, например 1 не — до конца эпохи энергетической пустыни. Вполне возможно, что они могли бы образовывать что-то вроде атомов и молекул.
Однако, первая проблема заключается в том, что этих частиц оказалось бы маловато внутри горизонта Вселенной того времени. К концу эпохи энергетической пустыни таких частиц внутри горизонта оказалось бы где-то 1050 — на 30 порядков меньше, чем барионов внутри нынешнего горизонта. Это число примерно того же порядка, что число барионов в Земле. Явно мало, учитывая, что пространство внутри горизонта быстро расширяется.
Следующая проблема заключается в том, что эти частицы не успели бы сконденсироваться в космические тела. И, наконец, достаточно ли 1 не для эволюции структур в их естественном масштабе времени? Вопрос о том, что такое естественный масштаб времени, не так прост, но, вероятно, для очень грубой оценки можно использовать единицы атомного времени, определяемого с помощью принципа неопределенности как t ~ ћ/E, где Е — энергия связи электрона в атоме. Для внешних оболочек в атоме примем Е = 10 эВ, тогда характерное атомное время будет 1016 с. За последние 3 млрд лет (10-7 с) прошло 1033 атомных времен. Этого хватило на всё.
Энергия связи электрона в атоме по меньшей мере на пять порядков меньше массы электрона. Наши гипотетические частицы эпохи конца Великой энергетической пустыни имеют массу не более 1015 ГэВ, и если следовать аналогии, то энергия связи в гипотетических атомах должна быть не больше 1010 ГэВ. Соответствующее атомное время — 10-34 с. В таком случае за интересующую нас эпоху в 1 не прошло 1025 атомных времен, что соответствовало бы 30 годам в пересчете на наши атомы. Явно мало.
Таким образом, за длинную, богатую метаморфозами логарифмическую историю Вселенной только наш короткий интервал в пол-порядка богат на сложные эволюционирующие структуры. А гораздо больший интервал в 14 порядков и впрямь остается пустынным.
28. Судьба сгустка X
Итак, инфляция приготовила затравочные возмущения плотности энергии. Они растягивались в пространстве, покрывая огромный диапазон размеров и имели примерно одинаковые амплитуды на всех масштабах. Это изложено в общих чертах в главе 24, а сейчас попробуем проследить более подробно судьбу одной положительной флуктуации плотности, которая при окончании инфляции имела размер около микрона. Назовем эту флуктуацию «сгусток X», хотя слово «сгусток» на тот момент является некоторым преувеличением — его контраст, т.е. относительное превышение плотности всего около 510-5 (взяли среднеквадратичное отклонение).
При тех параметрах инфляции, которые мы приняли в главе 24, сгусток X родился размером 10-27 см и раздулся на 24 порядка за 70 удвоений масштаба. По времени это заняло чуть меньше 10-35 с, отделяющих конец инфляции от момента рождения сгустка X. Если следовать нашим допущениям, то при рождении сгусток X имел массу примерно 10 г, а по выходу из инфляции — 1071 г при почти микроскопическом размере, что на много порядков больше массы наблюдаемой части современной Вселенной. Избыток его массы над окружением тоже превосходил все мыслимые величины. Но этот микронный сгусток не мог сколлапсировать в черную дыру: он расширялся со скоростью, на много порядков большей скорости света, что не противоречит специальной теории относительности, поскольку сгусток X был растянут на огромное число причинно не связанных областей. По этой же причине его контраст оказался «замороженным»: одни части сгустка X ничего не знали о других частях, не чувствовали их тяготения — он как будто оказался разбит на огромное множество независимых вселенных.
Но со временем ситуация изменилась. Размер сгустка X, как и масштабный фактор Вселенной, увеличивался как корень квадратный из времени. А размер горизонта рос пропорционально времени. Когда-нибудь пропорциональная зависимость обязательно перешибет корневую. Для сгустка X это произошло в возрасте Вселенной около трех месяцев. Он оказался внутри горизонта и приобрел причинную связность: разные части сгустка почувствовали тяготение друг друга. В этот момент сгусток сильно потерял в массе (энергии), которая составляла уже 1049 г, или 1016 масс Солнца. Потеря массы связана с работой по расширению Вселенной, совершаемой давлением вещества. Энергия сгустка X (а его масса m = Е/с2 складывалась из энергии ультрарелятивистских частиц) пошла на уменьшение его отрицательной гравитационной энергии связи.
С этого момента контраст сгустка благодаря его самотяготению начал расти.
Мы хорошо знаем состав Вселенной той поры. Он складывался из водородно-гелиевой плазмы, фотонов, почти безмассовых нейтрино и медленно движущихся частиц темной материи. Львиная доля энергии-массы заключалась в фотонах и нейтрино. Они (как и связанная с фотонами плазма) не могли поддаваться самотяготению из-за своего огромного давления. А темная материя могла подчиняться гравитации, поскольку была не зависима от фотонов и обладала ничтожным давлением. Именно ее контраст начал расти, правда, медленно — как логарифм времени. В первые месяцы доля темой материи была ничтожной — порядка одной тысячной от плотности энергии фотонов с нейтрино. Но соотношение росло в пользу темной материи: ее количество в сопутствующем объеме не менялось, а фотоны с нейтрино остывали, и их вклад уменьшался.
Паритет наступил в возрасте 80 тыс. лет. К этому моменту логарифмический рост довел контраст сгустка до 3·10-4 . При этом изменилось уравнение состояния Вселенной, ее расширение пошло по другому закону: масштабный фактор а стал зависеть от времени t как а ~ t2/3 (до этого, напомним, расширение шло по закону а ~ t1/2). А рост возмущений при этом ускоряется еще радикальней: из логарифмического он превращается в линейный. К отметке 80 тыс. лет масса сгустка X составила порядка 1013 масс Солнца и с тех пор изменилась менее чем в два раза — в массе стала доминировать холодная темная материя, которая никуда не девается. Контраст темной материи продолжал расти, но обычное (барионное) вещество по-прежнему не участвовало в гравитационном росте возмущений по той же причине: давление излучения намного превосходило силы самотяготения. Однако, плазма с излучением продолжали жить своей весьма интересной жизнью: они были подвержены акустическим колебаниям плотности. Эти колебания привели к важнейшему эффекту: акустическим (или сахаровским) осцилляциям, которые непосредственно наблюдаются на карте реликтового излучения. Это явление и роль, которую оно сыграло, описаны ниже в главе 28.
В возрасте 380 тыс. лет происходит рекомбинация, барионы «отклеиваются» от фотонов. Реликтовое излучение сохранило и донесло до нас карту распределения плазмы той поры, и мы видим возмущения с амплитудой порядка 10-5 . Но реально возмущения плотности темной материи в то время были в сто раз больше и продолжали расти. Контраст сгустка X составил 210-3 и продолжал расти. После рекомбинации барионное вещество стало вести себя в больших масштабах как пыль (давление пренебрежимо) и скатываться в ямы гравитационного потенциала, образованные темной материей, догоняя последнюю по амплитуде возмущений. Сгусток X стал сгустком не только темной, но и обычной материи.
Как только амплитуда возмущений становилась порядка единицы, начинался более быстрый нелинейный рост, заканчивающийся формированием объектов. Со сгустком X это произошло в возрасте 2-3 млрд лет. Он оказался гравитационно связанным и перестал расширяться вместе со Вселенной.
Конечно, любой сгусток не оставался изолированным — распределение плотности Вселенной было наложением неоднородностей разных масштабов. Сгусток X сам был неоднородным, включал в себя более мелкие уплотнения. Поэтому он разбился на группу небольших галактик, в которых начали интенсивно рождаться звезды. Вероятно, потом эти галактики слились, и часть сгустка X объединилась в одну большую галактику. Может быть, в нашу.
С другой стороны, он входил в состав какой-то неоднородности большего размера. Из этой неоднородности позже, возможно, образовалось скопление галактик а из еще большего — стенка крупномасштабной структуры.
Из рис. 27.1 видно, что возмущения меньшего размера раньше входят под горизонт, значит, начинают расти раньше и потому раньше выходят на нелинейный рост. Первые астрофизические последствия дали возмущения, стартовавшие от размера 10-6 см после инфляции (красная линия). В возрасте сотни миллионов лет они вышли на нелинейную стадию и дали начало первым звездам, которые были гораздо больше современных, имея другой химический состав и другие параметры устойчивости.
Эти звезды обладали массой около 100 масс Солнца, но масса вещества (вместе с темной материей), вовлеченного в конденсацию каждой из этих звезд, была в тысячи раз больше. Неоднородности массы меньше 105 масс Солнца в ту эпоху не могли образовывать объектов из-за значительного давления вещества. Меньшие объекты возникли позже в галактиках. Самыми крупными объектами, которые успели образоваться, стали элементы крупномасштабной структуры, которые не являются гравитационно связанными и находятся на линейной стадии до сих пор.
Такова судьба микроскопических квантовых флуктуаций метрики пространства, возникших за 10-35 с до конца космологической инфляции.
Борис Штерн
ПРОРЫВ ЗА КРАЙ МИРА
Комментарии 10
Написание степеней в одну строчку с основаниями сложно читается, а ведь индексы верхние/нижние хорошо пишутся:
"тогда характерное атомное время будет 10¹⁶ с. За последние 3 млрд лет (10⁻⁷ с) прошло 10³³ атомных времен."
И текст читается гораздо лучше.
олег урожай
Господа, а вы знали что время в пространстве течёт не для всех одинаково, что наша секунда равна примерно десяткам лет для атома ? Что это только они для нас носятся как метеоры, а мы для них замерли как застывшие истуканы ? Что именно по этому учёные не могут понять квантовую физику и считают её другой, хотя на самом деле она для всех одна. А знали что, раз единого времени в пространстве не существует, то значит и путешествий во времени просто быть не может ? А зачем, за краем вселенной находятся миллиарды точно таких же вселенных как и наша и что находится за их пределом ? А для чего из нас делают будущих Богов ??? И почему именно, всё это так ? Не знали ? Тогда, вы уже можете об этом узнать. Так как появилась новая книга, рассказывающая обо всём об этом и ещё о многом другом. В поисковике сайта издательств ЛИТРЕС, наберите название книги "Всё о Мироздании".
Енох 19.77. "В те дни народы придут в смятение, и поколения народов восстанут ко дню погибели." -
19.06.2021:00:38 - исполнилось Откр.14.6-7; Дан.12.1-10; Мал.3.1-3!!!
- Истинный Воин Пресвятой Троицы Святый Архистратиг Архангел Михаил сошел с небес!!!
Откр.14.6 "И увидел я другого Ангела, летящего по средине неба, который имел вечное Евангелие, чтобы благовествовать живущим на земле и всякому племени и колену, и языку и народу;
7 и говорил он громким голосом: убойтесь Бога и воздайте Ему славу, ибо наступил час суда Его, и поклонитесь Сотворившему небо и землю, и море и источники вод."
Откр. 15.4 "Кто не убоится Тебя, Господи, и не прославит имени Твоего? ибо Ты един свят. Все народы придут и поклонятся пред Тобою, ибо открылись суды Твои."
НЫНЕ СУД БОЖИЙ НАД ЖИВЫМИ, - по делам их воздастся им...., ВСЕ ЖЕ ИДУЩИЕ ПРОТИВ БОГА - ПОГИБНУТ!!!
(Откр.14.19-20; Зах.13.8; Енох 19.92); https://ok.ru/...ЕщёУБОЙТЕСЬ БОГА И ВОЗДАЙТЕ ЕМУ СЛАВУ!!! ИБО НАСТУПИЛ ЧАС СУДА ЕГО!!
Енох 19.77. "В те дни народы придут в смятение, и поколения народов восстанут ко дню погибели." -
19.06.2021:00:38 - исполнилось Откр.14.6-7; Дан.12.1-10; Мал.3.1-3!!!
- Истинный Воин Пресвятой Троицы Святый Архистратиг Архангел Михаил сошел с небес!!!
Откр.14.6 "И увидел я другого Ангела, летящего по средине неба, который имел вечное Евангелие, чтобы благовествовать живущим на земле и всякому племени и колену, и языку и народу;
7 и говорил он громким голосом: убойтесь Бога и воздайте Ему славу, ибо наступил час суда Его, и поклонитесь Сотворившему небо и землю, и море и источники вод."
Откр. 15.4 "Кто не убоится Тебя, Господи, и не прославит имени Твоего? ибо Ты един свят. Все народы придут и поклонятся пред Тобою, ибо открылись суды Твои."
НЫНЕ СУД БОЖИЙ НАД ЖИВЫМИ, - по делам их воздастся им...., ВСЕ ЖЕ ИДУЩИЕ ПРОТИВ БОГА - ПОГИБНУТ!!!
(Откр.14.19-20; Зах.13.8; Енох 19.92); https://ok.ru/group70000005045883/topic/155933798006907
Величаем Тя, Живодавче Христе, Осанна в вышних и мы Тебе вопием: - Благословен Грядый во Имя Господне!!!