Прорыв за край мира

_{Рис. 27.1. История Вселенной после инфляции в дважды логарифмическом масштабе. Линиями показано, как менялся со временем размер области пространства, ставшего видимой частью Вселенной (горизонт), большой галактикой (сгусток X) и первыми гигантскими звездами. Вертикальные пунктиры показывают фазовые переходы материи во Вселенной. Наклонный пунктир показывает размер горизонта}

Когда инфляция заканчивается, треки выходят на степенную зависимость а ~ t

^1/2 (степенной закон в дважды логарифмической шкале выглядит как прямая линия с наклоном, равным показателю степени). Такой закон расширения возникает из решения уравнения Фридмана для вселенной, в которой доминируют ультрарелятивистские или безмассовые частицы. Такая ситуация продолжается до t ~ 3·10¹²

с (80 тыс. лет, незадолго до эпохи рекомбинации), после чего в балансе энергии Вселенной начинают доминировать холодные частицы (темная материя и барионы). При этом меняется уравнение состояния Вселенной — давление падает почти до нуля, и закон расширения меняется на а ~ t^2/3 (см. главу 13).

В самом конце добавляется новое экспоненциальное расширение, связанное с темной энергией, но пока оно слишком мало, чтобы его можно было увидеть в масштабе рисунка.

Прямая линия, пересекающая весь рисунок, — размер горизонта. При инфляции практически все флуктуации плотности, кроме самых последних, очень быстро растягиваются за пределы горизонта и таким образом «замораживаются». Возмущение не может эволюционировать, когда оно распределено по множеству причинно не связанных областей. После инфляции расширение становится медленней роста горизонта, и флуктуации вновь входят под горизонт — сначала те, что поменьше, потом большего размера. Скорость роста масштабов увеличивается на отметке времени 80 тыс. лет и приводит к формированию наблюдаемой структуры уже в возрасте вселенной во многие миллионы и миллиарды лет — в довольно узкой полосе в масштабе рисунка. Об этом более подробно рассказано в следующей главе.

_{Рис. 27.2. Рост масштабов неоднородностей во время инфляции. Сиреневая полоса обозначает пространственный масштаб, на котором всё время до τ = 0 рождаются квантовые флуктуации. Линии показывают, как растут неоднородности, соответствующие будущим знакомым нам объектам. Поскольку продолжительность инфляции не имеет четкого ограничения, она могла продолжаться и тысячу единиц времени — тогда треки роста первых флуктуаций придут к τ}

= 0 на метр выше начала координат, достигнув значения порядка 10⁵⁰⁰ см — вполне возможно что Вселенная имеет такой или еще больший размер. Линии для простоты изображены прямыми — на самом деле при подходе к τ = 0 темп инфляции снижается и линии плавно загибаются.

Наша эпоха, когда существуют планетные системы и возможна жизнь, в данном масштабе не больше ширины штрихов линии, обозначающей современную Вселенную на рис. 27.1 (справа). А между стадией инфляции и электрослабым фазовым переходом лежит самая долгая в логарифмическом плане эпоха, про которую мы мало что можем сказать. Есть подозрение, что в эту эпоху не происходило ничего интересного: по своей температуре эпоха соответствует так называемой Великой энергетической пустыне — области от сотен гигаэлектронвольт до 10¹⁶ ГэВ. Вероятно, где-то там сформировалась барионная асимметрия, возможно, жили разнообразные супер-симметричные партнеры нынешних частиц — фотино, скварки… Конечно, никто не даст голову на отсечение, что и посредине пустыни не происходило что-то интересное, просто это никак не просматривается из физики частиц в ее современном состоянии.