Всесвіт починався з високоенергетичного стану, який часто називають "Великим вибухом". Він ознаменував народження часу і простору, де виникали перші частинки й поширювалася матерія. Коли спала надвисока температура, з'явились масштабні космічні структури, перші зоряні скупчення та зірки.
Теорія інфляції
Панівна в астрономії теорія, модель Великого вибуху, припускає, що наш всесвіт почався з сингулярності - неймовірно щільного і гарячого стану, близько 13,8 мільярда років тому. Що то був за стан - науковці не уточнюють. Хоча й стверджують, що потрібна “інша фізика” та додатковий аналітичний інструментарій, якого у нас немає.
Але це не єдина теорія.
Так, циклічна модель припускає, що ми живемо лише в одній послідовності, кожна з яких народжується після смерті своїй попередниці в нескінченному циклі розширення і стиснення.
Інша альтернатива, модель квантової флуктуації, стверджує, що космос виник з квантової флуктуації у “пустому” вакуумі.
Існує також модель вічної інфляції, згідно з якою наш всесвіт - це лише маленька бульбашка у величезному мультивсесвіті, де інфляція ніколи не припиняється, але відтворює незліченну кількість інших "бульбашкових всесвітів".
Щодо того, з чого все, найкраща відповідь на сьогодні походить зі сфери фізики елементарних частинок. Вся матерія, яку ми спостерігаємо, складається з елементарних частинок: кварків і лептонів. Вони об'єднуються, утворюючи протони, нейтрони та електрони, які, своєю чергою, формують атоми. Атоми консолідуються в молекули, - так виникає матерія.
Звичайно, ця матерія становить лише близько 5% від загального енергетичного балансу Всесвіту, решта космосу “належить” темній матерії та темній енергії.
Темна матерія, на яку припадає близько 27% масо-енергетичного вмісту космосу, виводиться з її гравітаційного впливу на видиму матерію, але ми не маємо уявлення, з чого вона насправді складається. Основний кандидат - особливий вид субатомних частинок, яким не пощастило стати ні частинками, ні атомами й тим більше молекулами.
Насправді темна енергія ще більш “випадає” з наших теоретичних побудов. Ми спостерігаємо гравітаційні аномалії, що, мабуть, прискорюють розширення Всесвіту, але чи означає це існування додаткової (поза)матеріальної сутності, - загадка.
У будь-якому випадку, епоха інфляції - ключове поняття стандартної космологічної моделі, яке допомагає пояснити, чому всесвіт виглядає пласким, однорідним та ізотропним (однаковим в усіх напрямках).
Також ця теорія припускає, що всесвіт зазнав швидкого експоненціального розширення в перші частки секунди після Великого вибуху. Раптовий стрибок (найбільша загадка) якраз пояснює масштабність того, що ми називаємо “матеріальний світ”.
Проте, хоча теорія інфляції має сильну емпіричну підтримку, вона підіймає ряд питань, що залишаються без відповідей. Наприклад, що спричинило стрімке розширення і що його зупинило? Можливо, гіпотетичне "поле інфляції" викликало інфляцію, а потім розпалося на матерію та випромінювання, які ми бачимо сьогодні. Однак ця концепція не отримала фактологічного підтвердження.
Ба більше, теорія інфляції має вплив на саме народження Всесвіту. Деякі космологічні моделі припускають, що інфляція породила нескінченну кількість всесвітів за сценарієм мультивсесвіту - тобто джерело одне, а світів на його основі - багато.
Космічне мікрохвильовий фон (КМХФ) - слабке випромінювання, що залишилося від ранніх стадій Великого вибуху. Воно має рівномірну температуру близько 2,7 К по всьому небу, за винятком крихітних флуктуацій, які демонструють варіації густини й температури первісної плазми. Саме по характеристиках КМХФ ми збираємо дані про походження, еволюцію та структуру Всесвіту.
Мікрохвильовий фон виник в період так званої рекомбінації. Всесвіт охолов до температури близько 2700 К, достатньо холодної для того, щоб електрони та протони могли "рекомбінувати" в атоми водню. Фотони були випущені на волю. Сьогодні це випромінювання називається CMB.
Стандартна космологічна модель прописує основні характеристики CMB: спектр, ізотропія та анізотропія. Однак вони, знов-таки, вельми спекулятивні, щоб говорити про “доведені речі”.
Нестандартна рекомбінація
Одна з можливостей полягає в тому, що процес рекомбінації відрізнявся від того, що передбачається стандартною моделлю. Наприклад, могли існувати додаткові джерела іонізації або нагрівання, які затримували або змінювали рекомбінацію. Такими джерелами могли бути первісні магнітні поля, анігіляція (формувалась симетрія) чи розпад темної матерії або екзотичні частинки, наприклад, стерильні нейтрино чи аксіони.
Нестандартна рекомбінація за такою логікою вплинула на оптичну глибину і функцію видимості Всесвіту, які визначають, наскільки далеко назад ми можемо зазирнути. Вона також вплинула на форму та амплітуду спектра потужності КМХФ.
Якби були відомі ці параметри, ми б врахували статистичні властивості та флуктуації CMB. Але нам залишається тільки гадати про вплив нестандартної рекомбінації на деякі акустичні піки або спектр потужності.
Нестандартна рекомбінація може також впливати на поляризацію космічного фону, вважаючи на чутливість до томсонівського розсіяння фотонів вільними електронами.
Поляризацію можна розкласти на дві моди: Е-моди та В-моди. Е-моди генеруються скалярними збуреннями (флуктуаціями густини) і добре вимірюються сучасними експериментами. B-моди генеруються тензорними збуреннями (гравітаційними хвилями) і виконують роль зонда інфляції. Однак B-моди також можуть генеруватися через обертання Фарадея або взаємодію, що порушує парність.
Нестандартне випромінювання
Інша можливість полягає в тому, що в ранньому всесвіті було більше випромінювання, ніж передбачається у стандартній моделі. Наприклад, могли існувати додаткові релятивістські ступені свободи (такі як нейтрино або інші легкі частинки) або додаткова густина енергії (фотони або темне випромінювання). Гіпотетично ці джерела вплинули на швидкість розширення та теплову історію всесвіту.
Відповідно, ми отримуємо інший параметр Габбла та інший звуковий горизонт всесвіту. А вони, як ми знаємо, визначають кутовий масштаб та розташування акустичних піків у спектрі потужності КМХФ. Це призводить до іншого співвідношення системи “речовина-випромінювання” та шкали демпфування.
Нестандартне випромінювання могло вплинути й на первинний нуклеосинтез, а відтак походження водню, гелію та літію залишається нерозкритим.
Відносна поширеність цих елементів залежить від температури, густини та тривалості нуклеосинтезу, а також від співвідношення баріонів до фотонів. Іншими словами, Нестандартне випромінювання “грається” з щільністю нуклонів, тобто варіантів існування матерії може бути безліч. І необов'язково з основною, “баріонною” формою.
To be continued...
