Модель вселенной и инфляционная стадия ее развития

В промежутке от 15 до 20 миллиардов лет назад с первоначальным состоянием Вселенной – будем называть его  Сингулярностью /гравитационная сингулярность  — область пространства-времени, через которую нельзя продолжить геодезическую линию. Часто в  ней кривизна пространственно-временного континуума обращается в бесконечность, либо метрика обладает иными патологическими  свойствами, не допускающими физической интерпретации (например, космологическая  сингулярность — состояние Вселенной  в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной  плотностью и температурой вещества);– /что-то произошло. Пространство и заполняющая  его материя как бы вырвались  из точки и стали расширяться. Такое явление иногда называют Первовзрывом, или Большим Взрывом. Этот красивый образ математически оправдан тем, что в нулевой момент времени плотность материи становится бесконечной, но его нельзя слишком прямо ассоциировать с обычным взрывом заряда в пространстве. Здесь расширяется именно все пространство Вселенной, а в наблюдательном отношении это выглядит как разбегание вещества, увеличение расстояний между любой парой точек. То, что происходило до Сингулярности, непосредственно в ней и примерно вплоть до 10-7 – 10-5 с, относится – точнее до недавних пор относилось! – к области более или менее свободного полета мысли. По истечение одной десятимиллионной доли секунды можно рисовать довольно конкретные картинки. Вещество очень высокой плотности находится в состоянии весьма горячего (Т~1014 К) «супа» кварков, лептонов и фотонов, которые движутся как частицы идеального газа со световыми скоростями.

Когда температура падает до 1012 К (t~10-5 c), плотность вещества становится порядка той, которая характерна для атомных ядер и адронов. Вероятно, где-то на этом этапе и протекает образование адронов – кварки отходят друг от друга на предельно большие средне расстояния и поневоле сливаются в адронные структуры.

Начиная с этого момента, можно определенно говорить о  горячей смеси адронов, лептонов и фотонов, причем последние довольно долгое время играют основную роль.

Через 200 секунд после Первовзрыва температура падает до миллиарда градусов, средняя кинетическая энергия частиц уже невелика – ее не хватает для рождения лептонных пар, а тем более адронов. Теперь протоны и нейтроны могут объединяться в простейшие составные ядра дейтерия, не рискуя немедленно развалиться в слишком горячей среде. Начинается эра нуклеосинтеза. Дейтерий сам по себе очень не стабилен, но в результате столкновений с протонами и нейтронами он может превращаться в гелий-3 или тритий. В свою очередь гелий-3 подбирает нейтрон, а тритий – протон, образуя весьма стабильные ядра обычного гелия-4. За несколько последующих минут практически все нейтроны расходуются на гелиосинтез или распадаются. Завершается аннигиляция античастиц. Более тяжелые ядра образоваться попросту не успевают. Это связано с отсутствием стабильных ядер с 5 или 8 нуклонами. Иными словами, присоединение к гелию протона или нейтрона или слияние двух ядер гелия не ведут к усложнению ядерной структуры.

Следующий структурный уровень  появляется намного позже – примерно через 700 тысяч лет после Первовзрыва. Температура падает на столько, что возможен синтез атомов водорода и гелия из соответствующих ядер и электронов. Фотоны уже не на столько энергичны, чтобы легко выбивать связанные электроны.

Так разрывается связь  между первичным излучением и  веществом. У фотонов просто не хватает  энергии на ионизацию атомов, с  электрически же нейтральными объектами  они не взаимодействуют. Поэтому фотоны начинают распространяться практически свободно – Вселенная становиться как бы прозрачной для них.

Отсюда и берет начало так называемая эра доминирования  вещества, которое пока выглядит как  примитивная смесь водорода и  гелия в пропорции примерно 7:3. Первичное фотонное и, видимо, нейтринное излучения, постепенно охлаждаясь, превращаются в реликты – живые памятники  великим событиям первых мгновений.

Хотя по человеческой шкале  времени звезды и кажутся вечными, они, подобно всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть макроскопические силы взаимного электростатического отталкивания (см. Закон Кулона) и вступить в реакцию термоядерного синтеза (см. Ядерный распад и синтез).

В результате многоступенчатой реакции термоядерного синтеза  из четырех протонов в конечном итоге  образуется ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона) и выделяется целый фонтан разнообразных  элементарных частиц. В конечном состоянии  суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции  выделяется свободная энергия (см. Теория относительности). Из-за этого внутренне  ядро новорожденной звезды быстро разогревается  до сверхвысоких температур, и его  избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей  поверхности — и наружу. Одновременно давление в центре звезды начинает расти (см. Уравнение состояния идеального газа). Таким образом, «сжигая» водород  в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному  коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. О звездах на стадии активного сжигания водорода говорят, что они находятся на «основной  фазе» своего жизненного цикла или  эволюции (см. Диаграмма Герцшпрунга—Рассела). Превращение одних химических элементов в другие внутри звезды называют ядерным синтезом или нуклеосинтезом.