§ 9. Через миллион лет

В тот же период, когда нейтроны и протоны объединяются в ядра атома гелия, т. е. при 10 сек < t < 100 сек, происходит аннигиляция электронов и позитронов, которые в более раннюю эпоху при температуре свыше 5*10⁹ К заполняли Вселенную примерно в таком же количестве, как и фотоны (см. § 5 гл. 3). После падения температуры ниже 5*10⁹ К реакция аннигиляции пар е⁺, е^- уже не компенсируется реакциями образования этих пар, так как энергия частиц недостаточна для рождения пар. Поэтому вся энергия, содержащаяся в элек-тронно-позитронных парах, перекачивается в энергию фотонов. Читатель, наверное, помнит (см. § 5 гл. 3), что к этому времени вещество Вселенной стало прозрачным для нейтрино. Нейтрино участвуют в общем расширении Вселенной, остывают, как и фотоны, но, в отличие от последних, уже не взаимодействуют ни с парами е^±, ни с фотонами. Поэтому они никак не реагируют на перекачку энергии из пар е^± в фотоны. С этого момента температура фотонов из-за перекачки энергии из е^± становится на ~40% выше, чем температура нейтрино. В дальнейшем охлаждение фотонов и нейтрино при расширении Вселенной происходит одинаково и разность температур сохраняется (см. рис. 22). Аннигиляция пар и синтез гелия - это последние активные процессы во Вселенной после начала расширения, за которыми последовал длительный период около миллиона лет, когда во Вселенной ничего бурного не происходило.

С расширением Вселенной падала температура, ядерные реакции быстро затухали. Во Вселенной славную массу в то время составляли фотоны, нейтрино (и вероятно, гипотетические гравитоны), а также примесь ионизованного "обычного" вещества, состоящего на ~70% из протонов, на 30% из ядер атомов гелия и электронов, делающих эту высокотемпературную плазму нейтральной. О нейтрино (и гравитонах) мы можем "забыть", так как они не взаимодействуют с "обычным" веществом. Фотоны же очень эффективно взаимодействуют с электронами и вещество для них непрозрачно. Это взаимодействие ведет к тому, что температура фотонов и вещества одинакова. Эпоха, о которой мы говорим, носит название эры фотонной плазмы.

Так продолжается до тех пор, пока температура не упадет до 4000 К при t ≈ 10⁶ лет.

В этот период протоны начинают эффективно захватывать электроны, превращаясь в нейтральный водород. В то же время обратный процесс ионизации идет все менее эффективно, ибо фотонов, обладающих энергией, достаточной для ионизации атомов водорода, становится все меньше, а столкновения атомов, ведущие к ионизации, совсем редки. В результате Основной элемент Вселенной- водород - становится нейтральным. Несколько раньше нейтральным стал гелий.

Эта эпоха, когда в результате рекомбинации космическая плазма стала нейтральной, играет важнейшую роль в эволюции Вселенной. Дело в том, что ионизованный газ был непрозрачен для реликтового излучения. После рекомбинации он становится прозрачным. Нейтральное вещество практически не взаимодействует с реликтовым излучением.

Первое важнейшее следствие рекомбинации заключается в том, что становится возможным формирование отдельных небесных тел. Об этом мы будем говорить в следующей главе.

Второе следствие важно для возможностей исследования Вселенной. Момент, когда Вселенная становится прозрачной для излучения, определяет тот "практический" горизонт видимости, о котором шла речь в § 5 гл. 2. Наблюдая реликтовое "излучение, мы, по-существу, "видим" эту сферу, определяемую моментом рекомбинации; дальше вещество непрозрачно. Эта сфера находится от нас на расстоянии, соответствующем "красному смещению" z ≈ 1000.

"Просветление" вещества в результате рекомбинации наступает сравнительно быстро, примерно за 0,1 того времени t_рек, которое прошло от сингулярного состояния до начала рекомбинации.

Заканчивая этот небольшой параграф об эре фотонной плазмы, заметим, что в рассматриваемую эпоху происходили, на первый взгляд не очень бурные, но важные медленные процессы, которые, однако, имели решающие следствия для последующих стадий эволюции Вселенной. Речь идет об эволюции небольших отклонений от однородности и изотропии в распределении материи, в ее движении и о флуктуациях в гравитационном поле. Но об этом речь пойдет в следующей главе.