4.2. Лептонная эра

      Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в  веществе было много лептонов. Температура  была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже¹⁸.

      Лептонная эра начинается с распада последних  адронов - пионов - в мюоны и мюонное  нейтрино, а кончается через несколько  секунд при температуре 10¹⁰ K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем  “реликтовыми”. Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино¹⁹. Возникает нейтринное море.

4.3. Фотонная эра или эра излучения.

         Во время эры излучения продолжалось  стремительное расширение  космической  материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались  свободные  протоны или электроны и  крайне  редко  -  альфа-частицы  (фотонов было в миллиард раз больше, чем протонов и электронов). В период  эры излучения протоны и электроны в основном  оставались   без   изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело  обстояло  намного  сложнее. Хотя скорость их осталась прежней,  в  течение  эры  излучения  гамма-фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские,  ультрафиолетовые  и  фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому  из протонов мог, присоединится один электрон. При  этом  происходило  излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света)  и,  таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

      Со  времени адронной и лептонной  эры Вселенная была заполнена  фотонами. К концу лептонной эры  фотонов было в два миллиарда  раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной  после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по  энергии.

      Вследствие  расширения Вселенной понижалась плотность  энергии фотонов и частиц. С  увеличением расстояния во Вселенной  в два раза, объём увеличился в  восемь раз.  Иными словами, плотность  частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Кончается эра излучения и вместе с этим период “большого взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

      “Большой  взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную  нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

4.4. Звездная эра

      После “большого  взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большого взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры. Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

      С возникновением атомов водорода начинается звездная эра  -  эра  частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

    Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа  с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была  также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов  световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то  и в миллионы раз больше, чем  масса  нашей  теперешней  Галактики.  Расширение газа внутри сгустков шло медленнее,  чем  расширение  разреженного  водорода между  самими  сгущениями.  Позднее  из   отдельных   участков   с   помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики  и  скопления  галактик.

      Итак, крупнейшие структурные единицы  Вселенной - сверхгалактики  -  являются результатом неравномерного распределения водорода,  которое  происходило  на ранних этапах истории Вселенной. 

5. Рождение галактик 

        Колоссальные водородные сгущения -  зародыши  сверхгалактик   и  скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались  вихри,  похожие  на водовороты.  Их  диаметр  достигал  примерно  ста  тысяч  световых  лет.  Мы называем эти системы протогалактиками, т.е.  зародышами  галактик²⁰.  Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь  ничтожной частью   сверхгалактик   и   по   размеру   не   превышали   одну   тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей  системы  звезд, которые  мы  называем  галактиками.  Некоторые  из  галактик  до   сих   пор напоминают нам гигантское завихрение.

     Астрономические   исследования   показывают,   что   скорость   вращения завихрения  предопределила  форму  галактики,  родившейся  из  этого  вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет  тип  будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические  галактики, в  то  время  как  из  быстро  вращающихся  родились  сплющенные  спиральные галактики²¹.

  В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь  сжимался  в  шар  или  несколько  сплюнутый   эллипсоид.   Размеры   такого   правильного гигантского водородного облака были от  нескольких  десятков  до  нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из  водородных  атомов вошли в состав  рождающейся  эллиптической,  точнее  говоря  эллипсоидальной галактики, а  какие  остались  в  космическом  пространстве  вне  нее.  Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала  его  кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики.

      Протогалактика, которая вообще не вращалась, становилась  родоначальницей шаровой галактики. Сплющенные эллиптические галактики рождались из  медленно вращающихся   протогалактик.   Из-за   недостаточной    центробежной    силы преобладала  сила  гравитационная.  Протогалактика  сжималась  и   плотность водорода в ней возрастала.  Как  только  плотность  достигала  определенного уровня,  начали  выделяться   и   сжиматься   сгустки   водорода.   Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд  в шаровой или слегка приплюснутой галактике  происходило  почти  одновременно. Этот процесс продолжался относительно недолго, примерно сто  миллионов  лет.

      Это  значит,  что  в  эллиптических  галактиках  все  звезды  приблизительно одинакового возраста, т.е. очень старые.  В  эллиптических  галактиках  весь водород был исчерпан сразу же  в  самом  начале,  примерно  в  первую  сотую существования галактики. На протяжении последующих 99  сотых  этого  периода звезды уже не могли возникать. Таким  образом,  в  эллиптических  галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

      Спиральные  галактики, в  том  числе  и  наша,  состоят  из  очень  старой сферической составляющей (в этом они похожи на эллиптические  галактики)  и из более молодой плоской составляющей,  находящейся  в  спиральных  рукавах. Между  этими  составляющими  существует  несколько  переходных   компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения.  Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и  разнообразнее,  чем  строение эллиптических.  Спиральные  галактики  кроме  этого  вращаются   значительно быстрее,  чем  галактики  эллиптические.  Не  следует забывать,   что   они образовались  из  быстро  вращающихся  вихрей  сверхгалактики.   Поэтому   в создании спиральных галактик участвовали  и  гравитационная  и  центробежная силы²².

      Если  бы  из  нашей  галактики  через  сто  миллионов   лет   после   ее

возникновения (это время формирования сферической  составляющей)  улетучился весь межзвездный водород, новые  звезды  не  смогли  бы  рождаться,  и  наша галактика стала бы эллиптической.

      Но  межзвездный газ в те далекие  времена не улетучился, и,  таким  образом гравитация  и  вращение  могли  продолжать  строительство  нашей  и   других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали  две  силы - гравитация, притягивающая его к центру  галактики и центробежная  сила, выталкивающая его по направлению от  оси  вращения.  В  конечном  итоге  газ сжимался  по  направлению  к  галактической  плоскости.  В  настоящее  время межзвездный газ сконцентрирован  к галактической плоскости в  весьма  тонкий слой. Он сосредоточен, прежде  всего,  в спиральных  рукавах и представляет собой плоскую или промежуточную составляющую, названную звездным  населением второго типа.

      На  каждом этапе сплющивания межзвездного газа во все  более  утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в нашей галактике можно  найти,  как  старые, возникшие примерно десять миллиардов лет  назад,  так  и  звезды  родившиеся недавно в спиральных рукавах, в  так  называемых  ассоциациях  и  рассеянных скоплениях. Можно  сказать,  что  чем  более  сплющена  система,  в  которой родились звезды, тем они моложе.

6. Модели будущего Вселенной.

      Каково  же будущее Вселенной? Многие выдающиеся ученые ХХ века неоднократно задавались этим вопросом.

      В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной. Суть данной гипотезы была в следующем: предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности. Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу. Объем такой Вселенной может быть выражен, хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе, возможно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном и том же направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная по Эйнштейну, содержит хотя и большое, но все-таки конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней фотометрический и гравитационный парадоксы просто неприменимы²³. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна - такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

      Пять  лет спустя, в 1922 г., советский физик  Александр Фридман на основании  строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной, как это считал Эйнштейн. Вселенная непременно должна расширяться, причем речь идет о расширении самого пространства, то есть об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

      Идея  Фридмана поначалу показалась Эйнштейну слишком смелой и необоснованной. Он даже заподозрил ошибку в вычислениях. Но, ознакомившись с ними, он публично признал, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

      Из  расчетов Фридмана вытекали три возможных  следствия:

• Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
• Вселенная сжимается;
• во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

      Доказательства  в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 г., когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик (существование которых было доказано в 1923 г. тем же Хабблом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной²⁴.

      Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие  расширения всего пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

      Дальнейшее  развитие модель расширяющейся Вселенной  получила в послевоенные годы и особенно в последние десятилетия благодаря исследованиям известных отечественных космологов Зельдовича и Новикова. Уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, рассмотрены различные варианты моделей Вселенной в зависимости от средней плотности вещества в мировом пространстве, достаточно подробно намечен ход эволюции Вселенной от момента начала ее расширения²⁵.