Начальные этапы развития Вселенной Теории описывающие ранние стадии

Начальные этапы развития Вселенной Теории, описывающие ранние стадии развития Вселенной, тесно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий частиц. Связь энергии частицы E и абсолютной температуры T: Постоянная Больцмана в единицах э. В/К:

Температура и энергия частиц Пример. (а) Какова средняя кинетическая энергия E (в э. В) частиц при комнатной температуре (T = 290 К) и на поверхности Солнца (T = 5800 К)? (b) Какова примерная температура, соответствующая энергии ионизации атома водорода и энергии покоя электрона и протона? (a): при комнатной температуре получим: Температура на поверхности Солнца больше комнатной примерно в 5800/290=20 раз, так что средняя кинетическая энергия будет 20 0. 0375 э. В = 0. 75 э. В. (b): энергия ионизации водорода равна 13. 6 э. В. Для энергии покоя электрона: E = 0. 511 Мэ. В, T 1010 К Для энергии покоя протона: E = 938 Мэ. В, T 1013 К

Разделение взаимодействий Возраст Вселенной с с с лет мин с лет Увеличение времени йствие аимоде льное вз и С магн Электрослабое взаимодействие Гравитацио йствие оде ое взаим итн Cлабое взаимодейст вие нное взаимо действие Уменьшение энергии Гэ. В Лептоны Кварки Гэ. В Мэ. В нейтринный фон Адроны Ядра Атомы мэ. В

Разделение взаимодействий В процессе расширения общая гравитационная потенциальная энергия увеличивается, и происходит соответствующее уменьшение температуры и средней энергии частиц. Пример разделения взаимодействий: • • • Э/м и слабое взаимодействие при больших энергиях объединяются в одно. Электромагнитное взаимодействие: переносчики - безмассовые фотоны Слабое взаимодействие: слабые бозоны W± и Z 0 с массами порядка 100 Гэ. В/c 2 Предполагаемое поведение для сильного взаимодействия: • • Становится единым с электрослабым при энергиях порядка 1014 Гэ. В Порядок величины в 1011 раз превышает энергии, доступные на ускорителях Предполагаемое поведение для гравитации на малых расстояниях и больших энергиях: • • Объединение гравитации с тремя другими видами взаимодействий Расстояние – длина Планка ( 10– 35 м)

Стандартная модель истории Вселенной

Стандартная модель истории Вселенной 1) Начальный рассматриваемый момент времени (для раннего времени теорий нет) • • • Момент времени: t = 10– 43 с (Планковское время) T 1032 К Средняя энергия частицы: Переход от какой-либо теории Всеобщего объединения к периоду теории Великого объединения: примерно та энергия, ниже которой гравитация становится отдельным видом взаимодействия. 2) Период Великого объединения • • • Момент времени: t = 10– 43 - 10– 35 с Температура уменьшается до 1027 К Средняя энергия уменьшается до 1014 Гэ. В Сильная и электрослабая силы остаются единым взаимодействием. Вселенная состоит из смеси кварков и лептонов, превращающихся друг в друга. Более тяжелые частицы, могут также свободно возникать и уничтожаться. В конце периода сильное взаимодействие отделяется от электрослабого. Барионное и лептонное числа начинают независимо сохраняться.

Стандартная модель истории Вселенной 3) Период быстрого расширения (инфляционный период) • Момент времени: t = 10– 45 - 10– 32 с Смесь из кварков, лептонов и бозонов-переносчиков взаимодействий. 4) Период расширения и охлаждения • • • Момент времени: t = 10– 32 - 10– 6 с Температура: 1013 К Типичные энергии: 1 Гэ. В Кварки начали связываться друг с другом, образуя нуклоны и антинуклоны Фотоны с большими энергиями порождают пары нуклон-антинуклон. 5) Завершение образование нуклонов • Момент времени: t = 10– 6 - 10– 2 с Практически все антинуклоны и большинство нуклонов аннигилировали. Продолжается образование электрон-позитронных пар из фотонов.

Стандартная модель истории Вселенной 6) Завершение образования нейтронов и нейтрино: • • Момент времени: t = 1 с Эндотермическая реакция: К концу периода электронов с такой энергией стало недостаточно. Средняя энергия нейтрино уменьшилась, равновесные реакции с их поглощением прекратились. Поток нейтрино и антинейтрино разделился с остальной частью Вселенной. Современная температура нейтрино должна быть порядка 2 К. 7) Завершение образования позитронов • • Момент времени: t = 14 с Типичная энергия: менее 1 Мэ. В Прекращение образования электрон-позитронных пар из фотонов. Почти все позитроны аннигилировали. Во Вселенной осталось больше протонов и электронов, чем античастиц.

Синтез ядер Момент времени: t = 1 с Соотношение между p и n определяется При T= 10– 32 K: протонов в 4. 5 раза больше нейтронов Количество протонов растет t = 225 с T снижается до 109 K, средняя энергия уменьшается до 2 Мэ. В Энергия связи дейтрона 2. 22 Мэ. В Распад свободных нейтронов прекращается Начинается формирование ядер: 2 H, 3 He, 4 He, немного 7 Li Синтез легких ядер прекращается t = 1013 с (380000 лет) T снижается до 3000 К, средняя энергия уменьшается до долей э. В Энергия ионизации H и He: 13. 6 э. В и 24. 5 э. В – нейтральные атомы Нейтральные атомы стягиваются в облака и звезды Термоядерный синтез в звездах

Синтез ядер Выгорание водорода в звездах с массой > 0. 4 массы Солнца Ядро звезды стягивается и повышается температура Начинается синтез гелия Образуются более тяжелые ядра до 56 Fe – реакции с выделением энергии Реакции захвата нейтрона и бета-распад дают более тяжелые ядра Тяжелые звезды (8 -10 масс Солнца) взрываются как сверхновые с выбросом в пространство образовавшихся ранее тяжелых элементов. Туманность Вуаль в созвездии Лебедь – остатки взрыва сверхновой, произошедшего более 20000 лет назад. Выброшенный газ продолжает быстро двигаться. Столкновения между частицами газа и разреженным межзвездным веществом возбуждают атомы газа и приводят к его свечению. Размеры части туманности, показанной на фотографии, составляют примерно 40 световых лет (12 пк).

Фоновое излучение 1965 г. – Арно Пензиас и Роберт Вилсон (Bell Telephone Lab. ) обнаружили фоновый сигнал при направлении микроволновой антенны на небо. • • Спектр этого излучения похож на спектр излучения абсолютно черного тела. • В Принстоне велись работы по проектированию антенны для поиска излучения от ранних стадий развития Вселенной. Максимальная интенсивность приходилась на длину волны 1. 063 мм (соответствует T = 2. 725 К). Космическое фоновое излучение – подтверждение теории Большого Взрыва • • Начало формирования нейтральных атомов: t = 380000 лет, T = 3000 К. • Излучение абсолютно черного тела температурой 3000 К осталось непоглощенным. • Вследствие расширения Вселенной излучение охладилось до T = 2. 725 К. При уменьшении числа заряженных частиц Вселенная стала прозрачной для длинноволнового излучения.

Фоновое излучение Карта в псевдоцветах, показывающая микроволновое излучение на всем небе, отображенное на эллипс. Когда это излучение возникло 380000 лет спустя после Большого взрыва, области, показанные синим, были немного холоднее и плотнее, чем в среднем. Внутри этих холодных, плотных областей сформировались галактики, в т. ч. галактика Млечный путь, в которую входит наша Солнечная система.

Расширение Вселенной Пример. Во сколько примерно раз расширилась Вселенная со времени t = 380000 лет? Нынешняя температура фонового излучения T = 2. 725 К, длина волны = 1. 063 мм Температура в момент времени t = 380000 лет: T = 3000 К. Закон Вина: Коэффициент уменьшения температуры: (3000 К)/(2. 725 К) 1100 m и масштабный коэффициент R должны настолько же увеличиться. Т. е. , между t = 380000 лет и настоящим временем: R 1100. Увеличение любого межгалактического объема: (1100)3 =1. 3 109 раз. В момент испускания фонового излучения его пиковая длина волны была 1/1100 от текущего значения: 1. 063 мм/1100 = 967 нм.

Нерешенные вопросы • Равна ли плотность энергии во Вселенной точно pcc 2, или немного отличается? • Что такое темная энергия? • Была ли плотность темной энергии постоянна в течение времени существования Вселенной, или эта плотность менялась? • Что такое темная материя? • Что происходило в первые 10– 43 с после Большого взрыва? • Можно ли экспериментально подтвердить, что сильное и электрослабое взаимодействия сливаются при высоких энергиях в единое взаимодействие?