Что произошло в первые микросекунды после Большого взрыва?

Исследователи из Копенгагенского университета выяснили, что произошло с определенным видом плазмы – самой первой материей во Вселенной – в течение первой микросекунды после Большого взрыва. Их открытие раскрывает часть головоломки об эволюции Вселенной, какой мы знаем ее сегодня: современная наука гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла из гораздо более горячего и плотного состояния в радикально расширяющееся – этот процесс н назвали Большим взрывом. И хотя мы знаем, что это быстрое расширение породило частицы, атомы, звезды, галактики и жизнь на нашей планете, детали того, как именно произошло рождение Вселенной, до сих пор неизвестны. Новая работа, по мнению ее авторов, проливает свет на самые первые мгновения существования всего сущего. Полученные результаты позволили исследователям пошагово восстановить эволюцию ранней Вселенной – с помощью Большого адронного коллайдера в ЦЕРН физикам удалось воссоздать то крошечное окно времени, в котором вся Вселенная была относительно компактной.

Как появилась Вселенная?

Наиболее обоснованная теория происхождения нашей Вселенной гласит, что она родилась в процессе Большого взрыва. К такому выводу исследователи пришли, наблюдая за галактиками – они удаляются от нашей с огромной скоростью во всех направлениях, как будто движимы древней взрывной силой.

Бельгийский священник по имени Жорж Леметр впервые предложил теорию Большого взрыва в 1920-х годах, предположив, что начало Вселенной положил один-единственный атом. Эта идея получила развитие благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла, а также открытию в 1960—х годах космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения или эха Большого взрыва) Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном.

Реликтовое излучение – фоновое микроволновое излучение, одинаковое во всех направлениях. Имеет спектр, характерный для абсолютно черного тела при температуре ~ 2.7 K.

Дальнейшая работа ученых помогла прояснить темп Большого взрыва. Вот что пишет об этом National Geographic:

«В первые доли секунды своего существования Вселенная была очень компактной – менее миллиона миллиардов миллиардных размеров одного атома. Считается, что в таком непостижимо плотном энергетическом состоянии четыре фундаментальные силы – гравитация, электромагнетизм и сильные и слабые ядерные взаимодействия — были объединены в единое целое. Однако как именно это произошло, а также, как работает гравитация в субатомном масштабе, сегодня остается загадкой».

Исследователи также отмечают, что с течением времени и охлаждением материи во Вселенной начали формироваться более разнообразные виды частиц, которые в конечном итоге конденсировались в звезды и галактики. Примечательно, что к тому времени, когда возраст Вселенной составлял миллиардную долю секунды, она достаточно остыла, чтобы четыре фундаментальные силы отделились друг от друга, что позволило сформироваться фундаментальным частицам.

Предыдущие исследования в этой доказали, что кварк-глюонная плазма действительно существует.

И все же во Вселенной было недостаточно жарко и многие известные сегодня частицы (например протон), просто не успели сформироваться. В дальнейшем, по мере того как Вселенная продолжала расширяться, этот обжигающе горячий первичный суп, называемый кварк-глюонной плазмой, продолжал остывать. Вот так мы и подошли к самому интересному – недавно исследователи из ЦЕРН, работающие на Большом адронном коллайдере, смогли воссоздать кварк-глюонную плазму.

Самая первая материя во Вселенной

Итак, под кварк-глюонной плазмой исследователи понимают материю, которая существовала в течение первой микросекунды после Большого взрыва. Исследователи отмечают, что плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной, после чего остатки кварка преобразовались в так называемые адроны.

Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра являются строительными блоками, из которых состоит Земля, мы сами и окружающая нас вселенная.

Как выяснили авторы научной работы, кварк-глюонная плазма (QGP) присутствовала в первую 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения Вселенной. Но с помощью БАК в ЦЕРН исследователи смогли воссоздать эту первую материю и проследить, что с ней произошло.

«Коллайдер сталкивает ионы из плазмы с большой скоростью—почти как скорость света. Это позволяет нам увидеть, как QGP эволюционировал из собственной материи в ядра атомов и строительные блоки жизни», – рассказал в интервью Phys.org ведущий автор исследования Ю Чжоу.

Галактика Млечный Путь – одна из сотен миллиардов таких же

В течение долгого времени исследователи думали, что плазма была формой газа, но новый анализ подтвердил – плазма была плавной и имела гладкую мягкую текстуру, как вода. Новые детали также продемонстрировали, показывают, что плазма со временем изменила свою форму, что удивительно и сильно отличается от любой другой известной материи.

Это интересно: Что ученым известно о возрасте и расширении Вселенной?

«Каждое открытие – это кирпичик, который повышает наши шансы узнать правду о Большом Взрыве. Нам потребовалось около 20 лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем она превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому наши новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы являются самым настоящим прорывом», – пишут авторы исследования.