Первому созданию атомов понадобились сотни тысяч лет. Если бы все было немного иначе, это могло бы занять целую вечность.
Когда дело доходит до нашего мира, нашей Солнечной системы и всего, что мы можем видеть в нашей Вселенной, все это состоит из одних и тех же ингредиентов: атомов. Электроны и атомные ядра взаимодействуют и соединяются, образуя не только отдельные атомы, но и простые и сложные молекулы, некоторые из которых дали начало макроскопическим структурам и даже жизни. Это один из самых впечатляющих фактов о Вселенной: она существует таким образом, что допускает сложную структуру, которую мы находим в ней сегодня.
Но на протяжении сотен тысяч лет, начиная с момента горячего Большого Взрыва, невозможно было сформировать ни одного атома. Для их создания потребовался огромный объем космической эволюции и ряд важных шагов. Вот история того, как мы сюда попали.
К тому времени, как Вселенной исполнится четыре минуты, она уже закончила синтез всех атомных ядер, которые она может синтезировать в этом горячем, плотном, раннем состоянии. Свободных нейтронов больше нет; все они были включены в более тяжелые ядра. К ним относятся:
- Гелий-4 (два протона и два нейтрона),
- Дейтерий (один протон и один нейтрон),
- Гелий-3 (два протона и один нейтрон) и Тритий (один протон и два нейтрона),
- и литий-7 (три протона и четыре нейтрона) и бериллий-7 (четыре протона и три нейтрона).
Вот и все. Свободных электронов ровно столько, чтобы Вселенная оставалась электрически нейтральной, точно уравновешивая количество протонов. В то время как фотоны, частицы, которые являются квантами света, непрерывно рассеиваются как электронами, так и атомными ядрами, они слишком горячие или энергичные, чтобы что-то еще могло образоваться.
Причина этого проста: этим ядрам не хватает энергии, чтобы слиться в более тяжелые соединения, но слишком много энергии для того, чтобы электроны могли связываться с ними и образовывать атомы. На самом деле энергии слишком много для образования нейтральных атомов. К тому времени, как Вселенной исполнится несколько минут, температура все еще будет составлять сотни миллионов градусов, но для образования стабильного нейтрального атома температура должна упасть ниже нескольких тысяч градусов.
Конечно, Вселенная расширяется, что означает ее охлаждение по мере увеличения длины волны света внутри нее. Но чтобы растянуть на столько - в 100 000 раз - , потребуется много времени.
Так Вселенная ждет. И со временем он расширяется и охлаждается. По мере того, как минуты превращаются в часы, а затем в дни, бериллий-7 начинает радиоактивно распадаться. Захватывая электроны, он медленно превращается в литий-7, а через год или два практически полностью исчезает. По мере того, как годы превращаются в десятилетия, тритий радиоактивно распадается (путем эмиссии электронов) на гелий-3. Преобразование завершено примерно через столетие.
И тем не менее, слишком жарко, чтобы образовать стабильный атом. Итак, Вселенная расширяется, охлаждается и становится менее плотной.
По мере того, как века превращаются в тысячелетия, красное смещение этих фотонов , число которых превосходит число других частиц примерно в миллиард к одному , становится настолько сильным, что они теряют почти всю свою энергию. Через несколько десятков тысяч лет плотность излучения падает ниже плотности вещества, а это означает, что во Вселенной теперь преобладает медленно движущееся вещество, а не излучение, движущееся со скоростью света.
С этим критическим изменением гравитация может стягивать темную материю в сгустки, которые растут и растут, притягивая к себе все больше материи. Без излучения, которое вымывает эти комки, Вселенная начинает формировать структуру. Семена нашей космической паутины посажены.
Но еще слишком жарко, чтобы образовывать нейтральные атомы. Каждый раз, когда электрон успешно связывается с атомным ядром, он делает две вещи:
- Он испускает ультрафиолетовый фотон, потому что атомные переходы всегда предсказуемым образом нисходят вниз по энергетическим уровням.
- Он подвергается бомбардировке другими частицами, включая миллиард или около того фотонов, которые существуют на каждый электрон во Вселенной.
И на этих ранних стадиях, даже когда Вселенной десятки тысяч лет, существует достаточно фотонов с достаточной энергией, чтобы почти сразу же, как только электрон связывается с ядром - свободный протон или более тяжелое ядро - оно тут же разлетается на части.
Но что-то начинает меняться, когда Вселенной исполняется около 300 000 лет. Фоновые фотоны, которые являются частью оставшегося Большого взрыва, становятся слишком холодными, чтобы немедленно выбить электроны из их ядер. Есть еще несколько таких очень высоких энергий, но теперь таких фотонов меньше, чем электронов во Вселенной; менее 1 фотона на миллиард может ионизировать нейтральный атом.
Это означает, что нейтральные атомы могут начать формироваться, но есть проблема, что они останутся. Когда вы формируете стабильный нейтральный атом, они испускают ультрафиолетовые фотоны. Затем эти фотоны продолжают движение по прямой линии, пока не сталкиваются с другим нейтральным атомом, который затем ионизируют. Несмотря на то, что мы можем создать небольшое количество нейтральных атомов, они не остаются такими.
Вы можете подумать, что в конце концов эти ультрафиолетовые фотоны будут путешествовать в пространстве достаточно долго, чтобы сместиться в красную сторону, и больше не будут взаимодействовать (потому что у них неправильная длина волны) с нейтральными атомами.. Что они больше не будут их возбуждать, оставив их неспособными к ионизации.
Это правда, что этот эффект имеет место, но он отвечает лишь за несколько процентов нейтральных атомов, которые впервые образуются во Вселенной. Вместо этого появляется другой эффект, который доминирует. Это случается крайне редко, но, учитывая количество атомов во Вселенной и более 100 000 лет, которые требуются атомам, чтобы окончательно и стабильно стать нейтральными, это невероятная и запутанная часть истории.
В большинстве случаев в атоме водорода, когда у вас есть электрон, занимающий первое возбужденное состояние, он просто падает в состояние с самой низкой энергией, испуская ультрафиолетовый фотон с определенной энергией: Лайман-альфа фотон. Но примерно 1 раз на 100 миллионов переходов выпадающий список будет происходить по другому пути, вместо этого испуская два фотона с более низкой энергией. Это известно как двухфотонный распад или переход, и это то, что в первую очередь ответственно за то, что Вселенная стала нейтральной.
Когда вы испускаете один фотон, он почти всегда сталкивается с другим атомом водорода, возбуждая его и в конечном итоге приводя к его реионизации. Но когда вы испускаете два фотона, крайне маловероятно, что оба они одновременно столкнутся с атомом, а это означает, что вы получите еще один нейтральный атом.
Остальное уже история. Конечно, для завершения процесса требуется более 100 000 лет, но именно так это делает Вселенная. Этот двухфотонный переход, хотя и редкий, представляет собой процесс, при котором сначала формируются нейтральные атомы. Он переносит нас из горячей, наполненной плазмой Вселенной в почти столь же горячую Вселенную, заполненную на 100% нейтральными атомами. Хотя мы говорим, что Вселенная сформировала эти атомы через 380 000 лет после Большого взрыва, на самом деле это был медленный, постепенный процесс, который занял около 100 000 лет по обе стороны от этой цифры. Когда атомы становятся нейтральными, свету Большого взрыва не от чего рассеиваться. Это источник реликтового излучения: космический микроволновый фон.
Мы впервые обнаружили этот свет в 1964 году, подтвердив Большой Взрыв и открыв эру современной космологии. Из наших лучших наблюдений в настоящее время мы смогли подтвердить эту захватывающую картину, даже измерив глубину и толщину поверхности последнего рассеяния с этого времени. Двухфотонные переходы были проверены здесь, в лабораториях на Земле, и то, что мы наблюдали, представляет собой впечатляющее совпадение между нашими теоретическими предсказаниями и тем, что на самом деле происходило в далеком прошлом Вселенной. Вселенной потребовалось около полумиллиона лет, чтобы, наконец, полностью сформировать нейтральные атомы, в то время как гравитация начала стягивать Вселенную в комки. Космическая история, которая, наконец, приведет нас к нам, была готова перейти к следующему этапу.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?