Первичное распределение элементов во Вселенной. Возникновение элементов в процессе эволюции Вселенной
Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией.
По теоретическим расчетам, в течение первых 10–36 с, когда температура Вселенной была больше 1028 К, энергия в единице объема оставалась постоянной, а Вселенная расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, но само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной.
При температуре 5∙1012 К закончилась стадия рекомбинации: почти все протоны и нейтроны аннигилировали, превратившись в фотоны; остались только те, для которых не хватило античастиц. Как показали наблюдения, на один барион приходится почти миллиард фотонов – продуктов аннигиляции. Значит, первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составляет одну миллиардную от их числа. Именно из этого «избыточного» вещества и состоит в основном вещество наблюдаемой Вселенной.
Спустя несколько секунд после Большого Взрыва в горячей и плотной Вселенной началась стадия первичного нуклеосинтеза, продолжавшаяся около трех минут. В результате термоядерных реакций образовывались ядра тяжелого водорода и гелия. Затем началось спокойное расширение и остывание Вселенной. Предсказанные количества водорода (75 %) и гелия (25 %) по теории первичного нуклеосинтеза подтверждаются распространенностью легких элементов в космосе в настоящее время.
Согласно модели горячей Вселенной 20–30 % первичного водорода (по массе) должно было превратиться в гелий еще в начальной стадии космологического расширения Вселенной.
| Краткая история развития Вселенной | |||
| Название эпохи | Физические процессы | Время, прошедшее с момента Большого Взрыва | Температура |
| Рождение классического пространства-времени | Вселенная рождается из состояния сингулярности, из пространственно-временной «пены» | 5∙10–44 c | 1032 К |
| Стадия инфляции | Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия | 5∙10–44–10–36 c | более 1028 К |
| Рождение вещества | Появляется горячая плазма, состоящая из элементарных частиц, «кваркового супа» | начиная с 10–36 c | 1028 К |
| Стадия рекомбинации | Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения | вплоть до 1 с | 5∙1012–1013 К |
| Первичный нуклеосинтез | Образуются протоны и нейтроны. Возникновение ядер водорода и гелия, а также лития и бериллия. | 1–200 с | 109–1010 К |
| Стадия рекомбинации водорода | Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения | 1 с – 1 000 000 лет | 4500–3000 К |
| Возникновение галактик | Начало возникновения звезд и галактик | 1 млрд. лет | 30 К |
| Появление тяжелых элементов | Образование тяжелых ядер при взрывах звезд | 3 млрд. лет | 10 К |
| Современная эпоха | Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается | 15–20 млрд. лет | 2,725 К |
На ранних стадиях расширения Вселенной в ходе реакций происходивших между «элементарными» частицами, образовались ядра атомов водорода и гелия. Более тяжелые элементы не успели возникнуть, так как Вселенная расширялась и остывала. Более тяжелые химические элементы появились позже, как продукты ядерных реакций, происходивших в недрах звезд. Эти элементы рассеивались в пространстве, например, в результате взрыва сверхновых, из них возникали новые звезды второго поколения, уже обогащенные тяжелыми элементами.
В настоящее время распространённость химических элементов отражена в таблице «Космическая распространенность наиболее обильных элементов». При составлении этой таблицы учитывалось распространение элементов не только на Земле, но и на Солнце, звёздах, а также состав космических лучей. Наибольшую распространенность имеет водород, за ним следует гелий.
Космическая распространенность наиболее обильных элементов (по А. Камерону)
| Элемент | Порядковый номер | Распространенность по числу атомов | Концентрация по массе (масса элемента в 1 г космического вещества) |
| H | 
| 0,774 | |
| He | 
| 0,208 | |
| C* | 
| 
| |
| N | 
| 
| |
| O | 
| 
| |
| Ne | 
| 
| |
| Na | 
| 
| |
| Al | 
| 
| |
| Si | 
| 
| |
| S | 
| 
| |
| Ar | 
| 
| |
| Ca | 
| 
| |
| Fe | 
| 
|
Как видно из данной таблицы, самый распространенный элемент во Вселенной – водород. Анализируя химический состав планет нашей Солнечной системы можно прийти к выводу, что наше Солнце образовалось из протозвёздного облака уже обогащённого тяжелыми элементами. Поэтому можно сказать, что мы – дети вспышек сверхновых.
В 1992 году была открыта анизотропия реликтового излучения – незначительное отклонение температуры (на 30 мкК) от среднего значения 2,725 К в различных направлениях на небе.
Распределение температуры реликтового излучения. На этой карте всего неба излучение в направлении движения Земли показывает голубое смещение и выглядит горячее, в то время как в противоположном направлении оно показывает красное смещение и представляется более холодным. Хорошо заметна дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Местная группа движется со скоростью около 600 километров в секунду относительно реликтового излучения. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К
Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.
Изучение скоплений галактик и движение галактик в скоплениях показало, что существует так называемая скрытая масса – тёмная материя.
Ближайшее к нам крупное скоплений галактик, насчитывающее тысячи галактик, находится в созвездии Девы и занимает на небе область с радиусом более 20o.
Скопления галактик по-видимому самые устойчивые образования во Вселенной. Области с повышенной концентрацией галактик сопровождаются с областями с пониженной концентрацией галактик.
Характерный размер скоплений галактик – несколько Мпк. Среднее расстояние между скоплениями 30 Мпк. В любом кубе со стороной 300 Мпк, что соответствует 10 миллиардам световых лет, содержится примерно 1000 скоплений. В этих масштабах вещество распределено уже однородно. Но наряду со скоплениями галактик существуют и более крупные неоднородности с размерами 50–100 Мпк, образующие крупномасштабную структуру Вселенной.
В конце ХХ века Я.Б.Зельдовичем и его сотрудниками была разработана теория «блинов». Эта теория предсказывала, что вскоре после рекомбинации, когда в первоначально ионизованном веществе молодой Вселенной ионы объединились с электронами, образовав нейтральные атомы водорода и гелия, выделяются неоднородности с массой около 1015 солнечных масс, которые начинают сжиматься. Причем это сжатие происходит несимметрично. При этом образуются плоские объекты, которые за свою форму получили название «блинов». Это подтверждается современными наблюдениями скоплений галактик и наличием ячеек в пространственном распределении галактик.
Пространственное распределение скоплений галактик по результатам компьютерного моделирования (крупномасштабная структура).
В XXI веке открыли ускорение расширения Вселенной. В настоящее время идут попытки связать факт ускорения расширения с фактом ненулевой массы нейтрино и тёмной материей.
Вопросы для рефлексии:
1. Как называется стадия развития Вселенной, при которой стали образовываться первые частицы и античастицы?
2. Почему так распространен в настоящее время элемент железо?
3. Через сколько лет после Большого Взрыва начали образовываться первые звёзды и галактики?
4. Через сколько лет после Большого Взрыва стали образовываться тяжёлые элементы? Каким способом это стало происходить?
5. Как образуются и распространяются во Вселенной биологически важные для жизни элементы, такие как кислород и углерод?
6. Как и когда возникли галактики?