Относительно рано в истории космоса, примерно через секунду после Большого взрыва, фоновая температура Вселенной упала до десяти миллиардов градусов Кельвина. С плотностью, в двести раз превышающей плотность воды, Вселенная оказалась достаточно прохладной, чтобы протоны и нейтроны начали сливаться, образуя атомные ядра легких элементов. Тогда было синтезировано огромное количество гелия с меньшими примесями дейтерия и лития. Ядерная деятельность продолжалась в течение достаточно короткого промежутка времени: около трех минут. В этот момент температура непрерывно расширяющейся Вселенной упала до одного миллиарда градусов Кельвина, а плотность стала превышать плотность воды всего в двадцать раз. Тогда ядерные реакции резко прекратились, и завершилась фаза нуклеосинтеза.

Несмотря на то, что в результате нуклеосинтеза образовалась большая часть существующего сегодня гелия, синтез элементов не завершился полностью в это трехминутное окно. Большая часть Вселенной, около семидесяти пяти процентов ее массы, осталась «необработанной», в виде отдельных протонов (водорода). Скорость протекания ядерных реакций определяется температурой и плотностью Вселенной. По мере расширения и охлаждения Вселенной скорости протекания ядерных реакций быстро уменьшаются, и, в конечном итоге, эти реакции прекращаются вовсе. Почти не существует ядерных реакций, которые происходили бы при низких температурах, — обратите внимание на явное отсутствие ядерного синтеза при комнатной температуре. Таким образом, первичный нуклеосинтез был чем-то вроде космических гонок. Стартовый пистолет выстрелил, когда Вселенной исполнилось около секунды и температура сначала снизилась настолько, что позволила существование ядер. Начался процесс нуклеосинтеза и образования химических элементов. Гонки завершились приблизительно через три минуты (немногим меньше, чем потребовалось олимпийскому чемпиону, чтобы пробежать полтора километра), когда расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что более не могла поддерживать реакции ядерного синтеза.

Если бы нуклеосинтез в ранней Вселенной продолжался неопределенно долго, все протоны и нейтроны, в конце концов, превратились бы в железо. Но почему в железо, а не в более тяжелые ядра? Хотя энергия высвобождается при слиянии малых ядер для образования больших, ядра, тяжелее ядра железа, могут высвобождать энергию при расщеплениина более маленькие дочерние ядра. Таким образом расщепляется уран, который служит источником энергии для атомных электростанций и атомного оружия. Поскольку как в процессе синтеза ядер легких элементов, так и в ходе расщепления ядер тяжелых элементов высвобождается энергия, минимально возможной энергией должны обладать ядра, имеющие промежуточный размер. Таким, самым энергетически привилегированным ядром, является ядро железа.

Как показано на рисунке 5, теория нуклеосинтеза делает важное предсказание. Количества элементов, образованных ранней Вселенной, зависят от общего количества обычного барионного вещества. Для того чтобы предсказанные количества легких элементов согласовались с реально наблюдаемыми значениями, общее количество барионов (протонов и нейтронов, составляющих ядра) во Вселенной должно находиться в достаточно узком диапазоне. Чтобы предсказания теории нуклеосинтеза не противоречили наблюдаемой действительности, число барионов должно находиться между двумя и восемью процентами общей плотности, необходимой для того, чтобы Вселенная была замкнутой. Если бы общее число барионов во Вселенной превышало восемь процентов от значения плотности замкнутой Вселенной, гелия в ранней Вселенной образовалось бы больше, чем мы видим сегодня. Аналогично, если бы барионов было менее двух процентов, то количество гелия было бы слишком низким. Поразительно, что узкий диапазон значений числа барионов может восстановить правильные количества гелия, дейтерия и лития.

Достаточно узкий разрешенный диапазон значения общего числа барионов имеет важные следствия для содержимого Вселенной. Барионным является вещество, образованное протонами и нейтронами; это вещество, с которым мы встречаемся постоянно: пылинки, люди, да и сама Земля. Теперь, если, согласно теории нуклеосинтеза, это обычное вещество составляет менее восьми процентов общей массы Вселенной (в случае плоской Вселенной), что составляет остальную массу? Ответ — темная материя. Роль этой экзотической субстанции становится все более важной по мере старения нашей Вселенной.

Для оценки общего количества массы во Вселенной используются несколько независимых методов. Рассмотрим сначала массу, содержащуюся в звездах. Звезды представляют собой наиболее очевидный источник массы, причем их относительно легко обнаружить благодаря свету, который они испускают, даже те, которые находятся в отдаленных галактиках. Более того, свойства звезд достаточно хорошо изучены. Однако общая масса звезд во Вселенной, судя по всему, удивительно мала: менее одного процента от плотности замкнутой Вселенной. В свете наблюдений за звездами и теории нуклеосинтеза Вселенная должна содержать в барионах в два-восемь раз больше массы, чем наблюдается в обычных звездах. В результате некоторая доля барионного вещества во Вселенной должна существовать в темных формах, испускающих очень малое количество излучения. Другими словами, во Вселенной должна существовать некая темная барионная материя, кроме любой другой темной материи, образованной из более экзотического, небарионного, материала.

Переходя на более крупные масштабы, мы можем оценить, какое количество массы существует в галактиках. Астрономы измеряют скорость, с которой звезды вращаются по орбитам вокруг центров других галактик. С помощью этих измеренных скоростей и законов гравитации мы можем оценить, сколько там содержится вещества. Чем больше измеренная орбитальная скорость, тем больше должна быть масса. Эта процедура расчета предполагает, что большая часть массы, содержащейся в галактиках, находится во внешних гало галактик и что эти гало содержат, вероятно, в сотни раз больше массы, чем сами звезды. Таким образом, общая масса гало галактик объясняет около десяти процентов плотности замкнутой Вселенной. Эта доля массы немного превышает ту, что теория нуклеосинтеза разрешает для барионной формы. В результате мы весьма склонны предположить, что некоторая доля этой массы в галактических гало существует не в виде обычного барионного вещества, а в некой более экзотической форме.

С помощью астрономических наблюдений ученые также определили количество массы, распределенной в областях размером со скопления галактик. В этом случае мы измеряем, насколько быстро сами галактики вращаются по орбите вокруг центров скоплений. Помимо этого мы можем измерить, как искривляются лучи света, проходящие через эти скопления. Несмотря на некоторую присущую им неопределенность, эти измерения указывают на то, что в скоплениях галактик сосредоточено приблизительно тридцать процентов массы, необходимой для того, чтобы Вселенная была замкнутой. Это гигантское хранилище вещества в 4-15 раз тяжелее, чем общее количество барионного вещества, а следовательно, значительная доля вещества во Вселенной должна находиться в небарионной форме. Общая тенденция такова: чем большие объемы Вселенной мы «взвешиваем», тем сильнее темная материя дает почувствовать свое присутствие.