Аддаленая Сусвет, разгляданая тут праз плоскасць Млечнага Шляху, складаецца з зорак і галактык, а таксама непразрыстага газу і пылу, якія вяртаюцца туды, наколькі мы можам бачыць. Але за межамі апошняй зоркі ў Сусвеце яшчэ святла. Малюнак: 2MASS.

Навука раскрывае паходжанне першага святла ў Сусвеце

"Няхай будзе святло" не толькі біблейскія. Гэта навука.

«Па сваёй прыродзе навука не ведае межаў. З-за таго, што ад любой прычыны паўстаннага ўдзелу ў любой групе ад групоўкі ўдзельнічае ў школе цэлае прадпрыемства навукі. Мы павінны быць навукоўцамі без межаў ". -Рокі Колб

Калі мы сёння глядзім на Сусвет, падсвечаныя велізарнай, пустой цемры неба - гэта кропкі святла: зоркі, галактыкі, туманнасці і многае іншае. Тым не менш, быў час у далёкім мінулым, перш чым якая-небудзь з гэтых рэчаў склалася, адразу пасля Вялікага выбуху, дзе Сусвет яшчэ была напоўнена святлом. Калі мы паглядзім у мікрахвалевай частцы спектру, мы можам знайсці рэшткі гэтага святла сёння ў выглядзе касмічнага мікрахвалевага фону (CMB). Але нават CMB адносна позна: мы бачым яго святло з 380 000 гадоў пасля Вялікага выбуху. Святло, наколькі мы яго ведаем, існавала яшчэ да гэтага. Пасля стагоддзяў, якія вывучаюць паходжанне Сусвету, навука канчаткова выявіла тое, што адбывалася ў космасе, каб "было святло".

Арно Пензіас і Боб Уілсан размяшчаюць антэну ў Холмдэле, штат Нью-Джэрсі, дзе ўпершыню быў ідэнтыфікаваны касмічны мікрахвалевы фон. Крэдыт малюнка: калекцыя Physics Today / AIP / SPL.

Давайце паглядзім, па-першае, на CMB, і дзе ён ідзе шляхам, зваротны шлях. У 1965 годзе дуэт Арно Пензіаса і Роберта Уілсана працаваў у "Bell Labs" у Холмдэле, штат Нью-Джэрсі, спрабуючы выверыць новую антэну для радыёлакацыйнай сувязі з надземнымі спадарожнікамі. Але дзе б яны ні глядзелі ў неба, яны ўвесь час бачылі гэты шум. Гэта не было звязана з Сонцам, ні адной зоркай або планетай, ці нават плоскасцю Млечнага Шляху. Ён існаваў днём і ноччу, і здавалася, ён ва ўсіх напрамках аднолькавы.

Пасля доўгай блытаніны з нагоды таго, што можа быць, ім было адзначана, што каманда даследчыкаў, якая знаходзіцца ўсяго ў 30 мілях у Прынстане, прадказала наяўнасць такой радыяцыі, а не як следства чаго-небудзь, што паходзіць з нашай планеты, Сонечнай сістэмы ці самой галактыкі, але паходзіць з гарачага, шчыльнага стану ў раннім Сусвеце: з Вялікага выбуху.

Згодна з першапачатковымі назіраннямі Пензіаса і Вільсана, галактычны самалёт выпраменьваў некаторыя астрафізічныя крыніцы выпраменьвання (у цэнтры), але вышэй і знізу ўсё, што засталося, было амаль дасканалым, раўнамерным радыяцыйным фонам. Малюнак: NASA / WMAP Science Team.

Па меры праходжання дзесяцігоддзяў мы вымяралі гэтае выпраменьванне з усё большай дакладнасцю, выяўляючы, што яно было не толькі на тры градусы вышэй абсалютнага нуля, але на 2,7 К, а потым на 2,73 К, а затым на 2,725 К. У, магчыма, найвялікшым дасягненні, звязаным з па гэтым рэшткавым святле мы вымяралі яго спектр і выявілі, што гэта ідэальнае чорнае цела, якое адпавядае ідэі Вялікага выбуху і супярэчыць альтэрнатыўным тлумачэнням, такім як адлюстраваны зорнае святло або сцэнарый стомленага святла.

Фактычнае святло Сонца (жоўтая крывая, злева) у параўнанні з дасканалым чорным целам (у шэрым колеры), што паказвае, што Сонца больш серыі чорных целаў з-за таўшчыні яго фотасферы; злева - сапраўдны ідэальны чорны корпус CMB, вымераны спадарожнікам COBE. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Sch (L); COBE / FIRAS, NASA / JPL-Caltech (R).

Зусім нядаўна мы нават памералі - ад паглынання і ўзаемадзеяння гэтага святла з прамежкавымі аблокамі газу - што гэта выпраменьванне павялічваецца ў тэмпературы, чым далей (і чырвоным зрухам) мы глядзім. Па меры таго, як Сусвет пашыраецца з часам, ён астывае, і, такім чынам, калі мы зазіраем далей у мінулае, мы бачым Сусвет, калі яна была меншай, шчыльней і гарачай.

Калі CMB меў некасмалагічнае паходжанне, ён не павінен павышацца тэмпературай пры чырвоным зруху (1 + z), як паказваюць назіранні. Крэдыты: P. Noterdaeme, P. Petitjean, R. Srianand, C. Ledoux, S. López, (2011). Астраномія і астрафізіка, 526, L7.

Дык адкуль узялася першае святло ў Сусвеце? Ён прыйшоў не з зорак, таму што папярэднічаў зоркам. Ён не выпраменьваўся атамамі, таму што папярэднічаў утварэнню нейтральных атамаў у Сусвеце. Калі мы будзем працягваць экстрапаляваць назад да вышэйшай і вышэйшай энергіі, мы выявім некаторыя дзіўныя рэчы: дзякуючы Эйнштэйнам E = mc2, гэтыя кванты святла могуць узаемадзейнічаць паміж сабой, спантанна вырабляючы пары рэчыва-антычастак і часціца!

Сутыкненне часціц з высокай энергіяй можа стварыць пары рэчывы-антыматэрыі або фатоны, у той час як пары рэчываў-антыматэрыялаў знішчаюцца для атрымання фатонаў. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Брукхейвена / RHIC.

Гэта не віртуальныя пары матэрыі і антыматэрыі, якія засяляюць вакуум пустога прасторы, а рэальныя часціцы. Гэтак жа, як два пратоны, якія сутыкаюцца з LHC, могуць стварыць мноства новых часціц і антычасцінак (таму што ў іх дастаткова энергіі), два фотаны ў раннім Сусвеце могуць стварыць усё, што ў іх будзе дастаткова энергіі для стварэння. Шляхам экстрапаляцыі назад ад таго, што мы маем зараз, можна зрабіць выснову, што ў назіральнай Сусвеце неўзабаве пасля Вялікага выбуху ў гэты час было 1089 пар часціц-часціц.

Тым, хто цікавіцца тым, як у нас сёння ёсць Сусвет, поўная матэрыі (а не антыматэрыі), мусіў быць нейкі працэс, які стварыў крыху больш часціц, чым антычасцінак (на суму каля 1-на-1 000 000 000) ад першапачаткова сіметрычны стан, у выніку чаго ў нашай назіральнай Сусвеце маецца каля 1080 часціц матэрыі і 1089 фатонаў.

Па меры таго, як Сусвет пашыраецца і астывае, няўстойлівыя часціцы і антычасціны распадаюцца, а пары рэчываў-антыматэрыялаў знішчаюцца і разлучаюцца, і фатоны ўжо не могуць сутыкацца з досыць высокімі энергіямі для стварэння новых часціц. Малюнак: Э. Зігель.

Але гэта не тлумачыць, як мы скончыліся ўсёй гэтай першаснай матэрыяй, антыматэрыяй і выпраменьваннем ва Сусвеце. Гэта шмат энтрапіі, і проста сказаць, "што з гэтага Сусвету пачалося", з'яўляецца цалкам незадавальняючым адказам. Але калі мы паглядзім на вырашэнне зусім іншага набору праблем - праблемы з гарызонтам і праблема роўнасці - адказ на гэта проста выскачыць.

Ілюстрацыя таго, як прасторавы час пашыраецца, калі ў ім пераважаюць Матэрыя, Радыяцыя ці энергія, уласцівая самому прасторы. Малюнак: Э. Зігель.

Што-небудзь павінна адбыцца, каб стварыць першапачатковыя ўмовы Вялікага выбуху, і гэта "касмічная інфляцыя", альбо перыяд, калі энергія ў Сусвеце пераважала не матэрыя (або антыматэрыя), ні радыяцыя, а энергія. уласцівая самому космасу альбо ранняй, звышсіннай форме цёмнай энергіі.

Інфляцыя расцягнула Сусветную кватэру, яна стварыла ёй аднолькавыя ўмовы, яна выгнала любыя існавалі часціцы або антычасцінкі, і яна стварыла ваганні насення для празмернасці і недастатковай колькасці ў нашай Сусвеце сёння. Але ключ да разумення, адкуль узяліся ўсе гэтыя часціцы, антычасцінкі і выпраменьванне? Гэта адбываецца з аднаго простага факту: каб атрымаць Сусвет, які мы мелі сёння, інфляцыя павінна была скончыцца. У энергетычным плане інфляцыя адбываецца, калі вы павольна падаеце ўніз патэнцыял, але калі вы, нарэшце, падаеце ў даліну ніжэй, інфляцыя сканчаецца, ператвараючы гэтую энергію (ад высокага ўзроўню) у матэрыю, антыматэрыю і радыяцыю, спараджаючы тое, што мы ведаем як гарачы Вялікі выбух.

Калі адбываецца касмічная інфляцыя, энергія, закладзеная ў космасе, вялікая, як і на вяршыні гэтага ўзгорка. Калі мяч спускаецца ў даліну, энергія ператвараецца ў часціцы. Малюнак: Э. Зігель.

Вось як можна гэта візуалізаваць. Уявіце, у вас ёсць велізарная, бясконцая кубічная кубіка, падціснутая адзін да аднаго, якая ўтрымлівае нейкае неверагоднае напружанне паміж імі. У той жа час цяжкі мяч для боўлінга перакочваецца па іх. У большасці месцаў мяч не будзе мець вялікага прагрэсу, але ў некаторых "слабых месцах" шарык зробіць паглыбленне, калі будзе пераходзіць па іх. І ў адным лёсавызначальным месцы мяч сапраўды можа прарваць адзін (альбо некалькі) блокаў, пасылаючы іх імкліва ўніз. Калі гэта робіцца, што адбываецца? Калі гэтыя блокі адсутнічаюць, адбываецца ланцуговая рэакцыя з-за адсутнасці напружання, і ўся структура рассыпаецца.

Аналогія шарыка, які слізгае па высокай паверхні, адбываецца тады, калі інфляцыя захоўваецца, тады як структура рушыцца і вылучае энергію ўяўляе сабой пераўтварэнне энергіі ў часціцы. Малюнак: Э. Зігель.

Там, дзе блокі ўдарылі над зямлёй, далёка ўнізе, гэта як інфляцыя, якая падыходзіць да канца. Менавіта тут уся энергія, уласцівая самому космасу, ператвараецца ў рэальныя часціцы, і той факт, што шчыльнасць энергіі самога прасторы была настолькі высокай падчас інфляцыі, выклікае стварэнне такой колькасці часціц, антычасцінак і фатонаў, якія ствараюць, калі інфляцыя сканчаецца. Гэты працэс, які сканчаецца інфляцыяй і прыводзіць да гарачага Вялікага выбуху, вядомы як касмічны разагрэў, і калі Сусвет астывае, калі ён пашыраецца, пары часціц / антычасцінак знішчаюцца, ствараючы яшчэ больш фатонаў і пакідаючы толькі малюсенькі кавалак матэрыялу засталося.

Касмічная гісторыя ўсяго вядомага Сусвету паказвае, што мы абавязаны паходжанню ўсёй матэрыі ўнутры яго, і ўсяго святла, у канчатковым рахунку, канца інфляцыі і пачатку гарачага Вялікага выбуху. Малюнак: ESA і супрацоўніцтва з Планкам / Э. Зігель (карэкціроўкі).

Па меры таго, як Сусвет працягвае пашырацца і астываць, мы ствараем ядра, нейтральныя атамы і, у рэшце рэшт, зоркі, галактыкі, кластары, цяжкія элементы, планеты, арганічныя малекулы і жыццё. І праз усё гэта тыя фатоны, якія засталіся ад Вялікага выбуху, і рэліквія канца інфляцыі, якая пачала ўсё гэта, працякаюць па Сусвеце, працягваючы астываць, але ніколі не знікаюць. Калі апошняя зорка ў Сусвеце мільгае, тыя фатоны - даўно перанесеныя ў радыё і разведзеныя на менш за адзін кубічны кіламетр - усё яшчэ будуць там у такой колькасці, як і трыльёны і квадрыліёны гадоў да.

Да таго, як былі зоркі, былі рэчыва і выпраменьванне. Да таго, як існавалі нейтральныя атамы, была іянізаваная плазма, і калі гэтая плазма ўтварае нейтральныя атамы, яны дазваляюць Сусвету дастаўляць першае святло, якое мы бачым сёння. Яшчэ да гэтага святла быў суп з матэрыі і антыматэрыі, які знішчыў вынікі большасці сённяшніх фатонаў, але нават гэта быў не самы пачатак. Напачатку космас пашыраўся ў геаметрычнай прагрэсіі, і гэта быў канец той эпохі - канец касмічнай інфляцыі - што спарадзіла матэрыю, антыматэрыю і выпраменьванне, што дало б пачатак першаму святлу, якое мы можам убачыць у Сусвеце. . Пасля мільярдаў гадоў касмічнай эвалюцыі, мы тут зможам скласці пазл. Упершыню цяпер вядома пра паходжанне таго, як Сусвет "хай будзе святло"!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".