Светил ли свет в самые ранние моменты существования Вселенной или он был скрыт от глаз? Хотя на первый взгляд этот вопрос может показаться простым, недавняя статья Live Science показывает, что реальность гораздо сложнее. Фотоны, частицы, из которых состоит свет, существовали с самого начала Вселенной, сразу после Большого взрыва. Однако поначалу они были заключены в плотной и горячей среде. Потребовались сотни тысяч лет, чтобы эти фотоны вырвались из своего космического плена.
Ранняя Вселенная: горячий, плотный суп
После Большого взрыва пространство расширилось с огромной скоростью, увлекая за собой энергию и материю. Эндрю Лэйден, заведующий кафедрой физики и астрономии в Государственном университете Боулинг-Грин, объясняет масштабы этого события: «С Большим взрывом было создано пространство, которое расширилось вместе со всем, что находится во Вселенной».
В этом бурном расширении Вселенная была чрезвычайно горячей, наполненной частицами, движущимися с невероятной скоростью. Изначально фотоны существовали в этой ранней Вселенной, но они не могли свободно перемещаться. Это связано с тем, что Вселенная была настолько плотной, что действовала как туман, в котором электроны свободно рассеивались и препятствовали пути света.
Лэйден сравнивает это с туманом и росой: «Представьте себе туман и росу. Частицы в состоянии высокой энергии рассеиваются, как вода в тумане, а когда энергия становится достаточно низкой, они могут конденсироваться, как капли росы». Эта аналогия помогает нам понять, как частицы, такие как электроны и протоны, существовали в состоянии высокой энергии и как по мере охлаждения Вселенной они постепенно позволили свету путешествовать беспрепятственно.
Ранняя Вселенная была «плотным супом», где свет постоянно сталкивался со свободно движущимися электронами, что мешало ему далеко улетать.
Рекомбинация: момент, когда свет стал свободным
Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная начала остывать. Это охлаждение позволило атомным ядрам и электронам соединиться, процесс, известный как «рекомбинация». Температура Вселенной упала настолько, что электроны смогли образовывать стабильные орбиты вокруг атомных ядер, а значит, рассеянный по ранней Вселенной «суп» из свободных электронов начал рассеиваться.
«Электроны двигались слишком быстро, чтобы атомные ядра могли удерживать их на орбите», — объясняет Лэйден. При снижении температуры свободные электроны больше не могли рассеивать фотоны. В результате первые фотоны во Вселенной наконец смогли вырваться на свободу, впервые позволив свету путешествовать беспрепятственно. Это ознаменовало конец «непрозрачной» эры Вселенной и начало эры, когда свет мог распространяться в космосе.
Космическое микроволновое фоновое излучение: первый свет Вселенной
Фотоны, которые были освобождены в этот момент, стали тем, что мы сейчас обнаруживаем как космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ). КМФИ — это оставшееся излучение Большого взрыва, которое даёт нам снимок ранней Вселенной. Когда Вселенная остыла настолько, что свет смог свободно перемещаться, она излучала излучение в инфракрасном и видимом диапазонах волн. За миллиарды лет, по мере расширения Вселенной, это излучение растянулось до более длинных волн, став микроволновым фоном, который мы наблюдаем сегодня.
КМФИ имеет огромное значение для современной космологии. Это одно из самых важных доказательств, подтверждающих теорию Большого взрыва. Изучая КМФИ, учёные могут получить представление о ранних условиях во Вселенной, её скорости расширения и распределении материи на огромных расстояниях. Это слабое излучение представляет собой план Вселенной, когда ей было всего несколько сотен тысяч лет, открывая окно в рождение и рост Вселенной.
Космические тёмные века и рождение звёзд
После высвобождения первого света Вселенная вступила в период, известный как космические тёмные века, который длился миллионы лет. В этот период Вселенная была заполнена газом, но звёзды и галактики ещё не сформировались. Только когда гравитация начала действовать на эти газовые облака, родились первые звёзды. Гравитационное притяжение газовых облаков привело к их коллапсу и формированию первого поколения звёзд.
Примерно через миллиард лет после Большого взрыва начали формироваться галактики со звёздами, что ознаменовало начало «космического рассвета». Формирование звёзд стало поворотным моментом в эволюции Вселенной, что привело к образованию галактик и сложных структур. Эти ранние звёзды не только осветили Вселенную, но и начали процесс синтеза более тяжёлых элементов, подготовив почву для создания планет, спутников и, в конечном итоге, жизни в том виде, в каком мы её знаем.
Прозрения из Солнца и других космических явлений
Чтобы понять процесс, который удерживал свет в ранней Вселенной, мы можем сравнить его с тем, что происходит внутри нашего Солнца. Как объясняет Шринивасан Рагхунатхан, космолог из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, свету, созданному ядерными реакциями в ядре Солнца, трудно выбраться наружу. «Представьте себе фотон света, созданный ядерными реакциями в центре Солнца, пытающийся выйти на поверхность Солнца», — сказал он.
Ядро Солнца настолько горячее и заполнено свободными электронами, что свет не может двигаться по прямой. Миллионы лет требуются свету, чтобы достичь поверхности, поскольку он постоянно сталкивается с частицами на своём пути. Это явление отражает раннюю Вселенную, где свет не мог вырваться из плотной среды. Как и фотоны в ядре Солнца, фотоны ранней Вселенной были заключены в хаотичной, горячей среде. И только когда Вселенная остыла и частицы начали формировать стабильные атомы, свет наконец смог свободно путешествовать.