Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 400 тысяч лет она не претерпевала никаких качественных превращений. Все это время, во‑первых, остывал радиационный фон, причем весьма быстро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной. Во‑вторых, уменьшалась плотность и обычной, и темной материи, но несколько медленней (как третья степень). Плотность фотонной энергии падала быстрее, поскольку растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему объему, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты. Когда Вселенной стукнуло 57 тысяч лет, плотность лучевой энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать — наступил конец радиационной эры.
Эхо большого взрыва
Звук в любой газовой среде — это колебательный процесс, в ходе которого в ней распространяются волны большей и меньшей плотности, волны сжатия и разрежения. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа. Для того состояния космической плазмы, которое она приобрела через несколько десятков тысяч лет после Большого Взрыва, этот механизм был малоэффективен из-за ничтожной плотности заряженных частиц. Например, в возрасте 100 тысяч лет каждый кубический сантиметр пространства содержал 2 тысячи электронов и меньше двухсот ядер гелия. Однако в этом же объеме находилось приблизительно 3 триллиона фотонов, которые и создавали упругую среду. Хотя давление в этой среде, по нашим понятиям, было крайне низким, всего одна стотысячная атмосферы, звук в ней распространялся с чрезвычайно высокой скоростью, равной почти 60% скорости света. В зонах максимума лучевого давления температура и яркость фотонного газа возрастали, в зонах минимума — падали. Теперь вспомним, что фотоны не особенно больших энергий никак не замечают присутствия друг друга. Поэтому в фотонном газе звуковые колебания могли распространяться лишь в присутствии заряженных частиц, на которых рассеивались световые кванты. Как только произошла рекомбинация, свежеиспеченные атомы прекратили чувствовать давление света, а освободившиеся фотоны разлетелись по космическому пространству. Существовавшие в те времена колебания плотности фотонного газа законсервировались до наших дней. Как показывают приборы, температура реликтовых фотонов, пришедших из разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка одной стотысячной. Эти осцилляции и есть следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.
Каким тогда казался бы Космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 тысяч лет, она вперые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам — рентгеновскими). К 200 тысячам лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 тысяч лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте 5 миллионов лет температура Вселенной упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 миллионов лет после Большого взрыва.
Но что же все-таки произошло через 400 (точнее, 380) тысяч лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону, и превращались в однократно ионизированные атомы, а затем и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия. Позднее это же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния стали возможными потому, что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80 тысяч лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К. Повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной — тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а теперь — для квантов электромагнитного излучения. Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в беспрепятственное путешестие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.
Небесные экстремалы
Межзвездный газ относительно спокоен лишь вдалеке от массивных обитателей космического пространства, а в их окрестностях он значительно нагревается и обретает множество экзотических свойств. «Компактные космические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, нередко имеют компаньонов в лице обычных звезд. Такой объект своим гравитационным притяжением вытягивает вещество из атмосферы звезды-соседки, и вокруг него формируется так называемый аккреционный диск. Температура во внутренних зонах такого диска достигает миллиона градусов. Эти области заполнены вращающейся горячей плазмой, которая выдает себя рентгеновским излучением. В этой плазме возникают магнитные поля, которые могут стать причиной образования джетов — струйных выбросов плазменных частиц, направленных перпендикулярно плоскости аккреционного диска, — объясняет «ПМ» специалист по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский. — Еще более экстремальная плазма существует около поверхности быстро вращающихся намагниченных нейтронных звезд. Там имеются мощные электрические поля, которые отрывают электроны с поверхности звезды и разгоняют их вдоль закрученных силовых линий магнитного поля до энергий порядка триллиона электронвольт. Двигаясь по этим искривленным траекториям, электроны излучают гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле порождают электронно-позитронные пары. Таким образом нейтронная звезда оказывается окружена магнитосферой, состоящей из электронов и позитронов».
Возрождение плазмы
В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц — то есть плазма, в той или иной форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, исчезла! В результате рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствующему (и взаимодействующему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 миллионов лет, а температура фонового излучения опустилась до 80 К, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 миллионов лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так называемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с тех пор и доминирует в космосе.
Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2010)