Существовал ли свет в начале зарождения Вселенной?

В наши дни темнота ночи перемежается со светом звёзд. Но был ли свет в начале времён, до появления звёзд?

Короткий ответ — «нет». Но длинный ответ раскрывает необычную историю света. Сначала свет в ранней Вселенной был «заперт», и ему потребовалось несколько сотен тысяч лет, чтобы вырваться на свободу. Затем около 100 миллионов лет ушло на формирование звёзд.

Изучая скорость и направление движения галактик, астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Это открытие, сделанное в 1929 году, позволило предположить, что когда-то космос был меньше. В итоге учёные подсчитали, что около 13,8 миллиарда лет назад вся Вселенная была сосредоточена в одной бесконечно плотной точке, пока не произошёл Большой взрыв.

«В результате Большого взрыва пространство было создано и расширилось вместе со всем, что есть во Вселенной», — Эндрю Лейден, заведующий кафедрой физики и астрономии в Университете Боулинг-Грин в Огайо, рассказал Live Science.

«Единственным способом, которым вся материя, составляющая сейчас Вселенную, могла бы уместиться в крошечном пространстве, было бы превращение её в энергию в тот момент», — сказал Лейден. Знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc2 показало, что энергия и масса могут быть взаимозаменяемы, объяснил Лейден.

По мере того как Вселенная расширялась, плотность её энергии уменьшалась, и она остывала. Первые частицы начали формироваться в течение первой секунды после Большого взрыва, по данным обсерватории Лас-Камбрес. Среди них были фотоны, из которых состоит свет, а также протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы. Примерно через три минуты после Большого взрыва протоны и нейтроны смогли соединиться, образовав ядра таких атомов, как гелий, согласно НАСА.

«Представьте себе туман и росу, — сказал Лейден. — Частицы с высокой энергией рассредоточены, как вода в тумане, и когда энергия становится достаточно низкой, они могут конденсироваться, как капли росы».

Однако, несмотря на то, что фотоны света существовали уже в первую секунду после Большого взрыва, они ещё не могли освещать Вселенную. Это связано с тем, что в раннем космосе было так жарко, что «электроны двигались слишком быстро, чтобы атомные ядра могли удерживать их на орбите вокруг себя», — сказал Лейден. «Вселенная была просто очень горячим и плотным супом».

Из-за того, что в ранней Вселенной свободно перемещались электроны, свет не мог распространяться на большие расстояния. «Когда свет пытался двигаться по прямой, он постоянно сталкивался с электронами, поэтому не мог уйти далеко», — сказал Лейден.

Похожая ситуация наблюдается внутри Солнца, Сринивасан Рагхунатан, космолог из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, рассказал Live Science. «Представьте себе фотон света, созданный в результате ядерных реакций в центре Солнца, который пытается выйти на солнечную поверхность, — сказал он. — В центре Солнца очень жарко, поэтому там много свободных электронов. Это значит, что свет не может распространяться по прямой».

Расстояние от центра Солнца до его поверхности составляет около 432 450 миль (696 000 километров). Скорость света в вакууме составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/с), но на Солнце «свету требуется от 1 до 2 миллионов лет, чтобы пройти путь от центра Солнца до его поверхности», — сказал Рагхунатан.

Однако примерно через 380 000 лет после Большого взрыва расширение Вселенной привело к тому, что космос достаточно охладился для того, чтобы атомные ядра соединились с электронами. «Когда это происходит, все электроны перестают быть свободными, — сказал Лейден. — Это происходит при температуре около 3000 кельвинов [4940 градусов по Фаренгейту, или 2725 градусов по Цельсию], то есть на поверхности прохладной красноватой звезды».

По словам Лейдена, за короткое время «из горячего плотного супа всё превращается в прозрачную Вселенную, где свет может свободно распространяться». «В этот момент первые фотоны во Вселенной могут вырваться наружу».

Лейден отметил, что свет, характерный для Вселенной, когда её температура составляла около 3000 кельвинов, находился в диапазоне от инфракрасного до видимого. Однако по мере того, как космос расширялся на протяжении более 13 миллиардов лет и остывал до средней температуры около 2,73 кельвина (минус 455 по Фаренгейту, или минус 270 по Цельсию), первый свет Вселенной сместился в сторону более длинных микроволновых волн.

Астрономы впервые обнаружили это остаточное излучение Большого взрыва, называемое космическим микроволновым фоном, в 1964 году.

Анализ этих микроволновых сигналов позволил сделать множество открытий. Например, гравитационное притяжение галактик может искажать свет — это явление называется гравитационным линзированием. Изучение степени искажения космического микроволнового фона в разных точках неба может помочь учёным восстановить крупномасштабную структуру Вселенной — расположение галактик и гигантских пустот между ними в космосе, говорит Рагунатхан.

После того как свет от Большого взрыва рассеялся, во Вселенной наступил период, известный как космическая тёмная эра. В конце концов, спустя миллионы лет, гравитационное притяжение газовых облаков привело к тому, что эти скопления материи начали сжиматься.

«Так появилось первое поколение звёзд, и примерно через миллиард лет после Большого взрыва во Вселенной появились галактики, полные звёзд, что положило начало космическому рассвету», — сказал Лейден.

Тиуанако: малоизвестная доинкская цивилизация, построившая храмы и города высоко в Андах