Спросите Итана №75: как мы можем до сих пор видеть Большой взрыв?

Если он произошёл миллиарды лет назад, что он всё ещё тут делает?

Мы любим признавать только то, что уже сияет, хотя благороднее поддерживать свет до того, как он начнёт сиять, а не после
— Дежан Стоянович

https://geektimes.ru/post/278692/
Иногда самые простые вопросы влекут за собой глубочайшие ответы, и дают возможность глубоко зарыться в тему восприятия ткани Вселенной. На этой неделе, перебрав ваши вопросы и предложения, я не мог пройти мимо прекрасного, но прямого вопроса от Джозефа Макфарланда, который хочет знать:

Почему мы продолжаем обнаруживать космическое фоновое излучение? То, что мы продолжаем бесконечно наблюдать космическое фоновое излучение, спустя миллиарды лет после его возникновения – это доказательство инфляции, или того, что Вселенная искривлена сама на себя (конечна, но безгранична)? Или, если эти факторы не влияют, какие могут быть объяснения?

Давайте задумаемся над историей Вселенной.



Конкретно, давайте поразмыслим, почему мы вообще можем обнаруживать космическое фоновое излучение. История начинается в момент Большого взрыва, или, точнее, во время горячего Большого взрыва.



Горячий Большой взрыв случился примерно 13,8 миллиарда лет назад, когда Вселенная впервые вышла из инфляционного состояния – такого, где вся энергия была присуща самому пространству – и превратилась в материю, антиматерию и излучение. Можно представить себе инфляцию как нестабильное поле, как шарик на вершине холма, который затем скатывается с него в долину.

Пока шар на вершине, пространство расширяется с экспоненциальной скоростью. Когда он скатился, и начинает колебаться взад и вперёд, энергия пространства превращается в материю, антиматерию и излучение: процесс, известный как повторный нагрев.



Затем Вселенная продолжает расширяться, но, поскольку она наполнена материей, антиматерией и излучением, скорость расширения не может оставаться такой же большой. Скорость, согласно ОТО, привязана к плотности энергии Вселенной, то есть к количеству энергии, приходящемуся на единицу объёма.

Когда у нас была ситуация с энергией, присущей самому пространству, то при расширении Вселенной просто добавлялось дополнительное пустое пространство, и плотность энергии оставалась такой же. Но теперь у нас во Вселенной есть много всякой всячины и плотность становится меньше по мере расширения. В случае излучения, длина волны света так же увеличивается, поэтому Вселенная становится не только менее плотной, но и более холодной.




Расширяясь и охлаждаясь, от невероятно горячего, плотного, однородного, быстро расширяющегося состояния до холодного, комковатого, медленно расширяющегося состояния, Вселенная сталкивается со множеством важных событий:

• Основные симметрии, присутствующие при высоких энергиях, нарушаются, что приводит к возникновению таких вещей, как масса покоя частиц.
• Вселенная охлаждается настолько, что фотоны перестают спонтанно формировать пары материя/антиматерия. Лишняя антиматерия аннигилирует, и остаётся лишь одна частица материи на 1 400 000 000 фотонов.
• Сила и частота взаимодействий падают настолько, что нейтрино перестают взаимодействовать со всем остальным во Вселенной
• Температура фотонов падает достаточно для того, чтобы могли сформироваться стабильные ядра атомов.
• Температура падает ещё немного – в миллион раз – и вот уже формируются нейтральные атомы.
• После этого регионы с повышенной плотностью превращаются в звёзды, галактики и кластеры, и появляется современная Вселенная, а энергия фотонов продолжает падать благодаря продолжающемуся расширению.

Предпоследний шаг, насчёт нейтральных атомов, как раз и обозначает появление космического микроволнового излучения (КМИ). До того все атомы ионизированы, то есть лишь положительно заряженные ядра и свободные электроны, плавающие в море фотонов. Но у фотонов чрезвычайно большое поперечное сечение рассеяния с электронами, то есть они очень часто сталкиваются.

Только когда Вселенная охлаждается достаточно и становится нейтральной, фотоны перестают встречаться со свободными электронами и «видят» лишь нейтральные стабильные атомы. А поскольку атомы поглощают фотоны с особыми частотами, и при этом частота у большинства существующих фотонов не такая, эти атомы, по сути, прозрачны почти для всех фотонов Вселенной!




Из-за того, что Вселенная расширялась и охлаждалась очень долго, можно взять наше положение в пространстве, зафиксировать его и огорчиться тому, что весь свет со времени Большого взрыва из окружающих нас районов проходил мимо нас на протяжении 13,8 млрд. лет.

Все звёзды, галактики, крупномасштабные структуры, газовые облака, космические пустоты, расположенные на расстояниях в тысячи, миллионы, миллиарды, и даже десятки миллиардов лет от нас, видели свой свет от КМИ уже очень давно.



Тем не менее, возвращаясь к вопросу, мы всё ещё видим КМИ, соответствующее сегодня той сфере, что находится на расстоянии 45,3 млрд. световых лет от нас. То, что мы всё ещё видим КМИ, означает, что Большой взрыв случился везде одновременно, в районе космоса радиусом не менее 45,3 млрд. световых лет, с нашей точки зрения.



И то, что КМИ во всех направлениях не только существует, но и имеет сходную температуру, означает, в контексте инфляционной Вселенной, что расширившийся объём наблюдаемой Вселенной изначально занимал не более 10^-29 м (или меньше, чем одна триллионная от 1% размера фотона), и вырос не меньше, чем в 10 000 000 000 000 000 000 000 раз.

Размер той части Вселенной, которая видна нам сегодня в качестве наблюдаемой Вселенной, изначально мог быть меньше 10^-29 м, и количество раз, в которое он расширился, может быть сколь угодно больше, чем 10²². Верхнего предела для этого не существует.



Когда мы смотрим на КМИ, на его однородность и небольшие флуктуации и видим, что в его картине нет повторяющихся участков (т.е. Вселенная не проявляет закрытой топологии), мы можем заключить из этого, что Большой взрыв произошёл везде одновременно в большом регионе – с нашей точки зрения.

Также это знание даёт нам нижнюю границу длительности и масштаба инфляции – о которой мы и так знаем очень много – и связывает её с обозримой Вселенной. КМИ всё ещё с нами, поскольку Большой взрыв, случившийся в конце инфляции, произошёл в огромном регионе пространства, уж точно не меньшем, чем наблюдаемая нами Вселенная, содержащая КМИ. Скорее всего, этот регион ещё больше, и не только все наблюдатели во всей Вселенной видят примерно одно и то же КМИ, но и мы будем продолжать его видеть (хоть и с красным смещением) в будущем.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных.Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.