Главная Новости Этан Зигель: мы измеряем возраст Вселенной только по «выжившим» звездам

Какой на самом деле возраст Вселенной?

Сколько лет Вселенной? На протяжении многих поколений люди спорили о том, существовала ли Вселенная всегда, было ли у нее начало, или же она циклична: не имеет ни начала, ни конца.

Но начиная с 20-го веке, мы не только ответили на этот вопрос, - Вселенная (как мы ее понимаем) началась с горячего Большого взрыва, - но и смогли точно определить, когда он произошел.

Теперь мы утверждаем, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет. Но насколько мы в этом уверены?

Вот что пишет Адимчи Оненадум: "Как мы пришли к выводу, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет?".

Очень смелое утверждение, но астрономы более чем уверены в своих выводах. Вот как мы это сделали.

Самый простой и понятный способ измерить возраст Вселенной - просто посмотреть на объекты, которые в ней находятся. Например, на звезды. Только в галактике Млечный Путь сотни миллиардов светил, и подавляющая часть древней астрономии была посвящена их изучению и описанию. Эта область исследований остается активной и сегодня, поскольку ученые обнаружили взаимосвязь между наблюдаемыми свойствами звездных популяций и их возрастом.

Основная картина такова:

  • облако холодного газа разрушается под действием собственной гравитации,
  • что одновременно приводит к образованию большого количества новых звезд,
  • которые имеют разную массу, цвет и яркость,
  • а самые крупные - голубые и яркие - сгорают в первую очередь.

Поэтому, когда мы смотрим на популяцию, мы можем сказать, сколько ей лет. Стоит лишь взглянуть на то, какие типы космических объектов еще остались, а какие классы звезд полностью исчезли.

В нашей галактике существуют звезды самого разного возраста, но измерения любого объекта сопряжены с неопределенностью. Причина проста: когда мы смотрим на отдельную звезду, мы видим ее такой, какая она есть сегодня.

Шаровая туманость NGC 2660

Мы не можем видеть - или знать, что произошло в ее прошлом, что привело к ее нынешнему состоянию. Мы можем видеть только сегодняшний снимок того, что есть, а об остальном нам приходится делать выводы.

Мы часто видим попытки измерить возраст звезды, но это всегда сопровождается предположением, что в ее прошлом не было взаимодействия, слияния или другого бурного события. Из-за того, что мы видим только выживших, такие измерения всегда сопровождаются большой неопределенностью: порядка миллиарда лет или даже больше.

Однако неопределенность гораздо меньше, когда мы рассматриваем большие скопления. Они образуются внутри галактики, - в Млечном Пути,, например - и содержат несколько тысяч звезд.

Они существуют всего несколько сотен миллионов лет. В конечном итоге гравитационное взаимодействие приводит к их разлету. Хотя небольшой процент из них живут несколько миллиардов лет, мы не знаем ни одного открытого звездного скопления, старше нашей Солнечной системы.

 

Шаровые скопления, однако, более крупные, они массивны и изолированы. Они встречаются в гало Млечного Пути (и в большинстве крупных галактик). Наблюдая их, мы можем измерить цвет и яркость, что позволяет определить их средний возраст.

Хотя и здесь существуют неопределенности, - даже в пределах одного только Млечного Пути есть большая популяция шаровых скоплений, возраст которых составляет 12 миллиардов лет и более.

Насколько мы уверены в этих цифрах? Трудно сказать. Почти гарантировано, что возраст самых старых скоплений должен составлять от 12,5 до 13 миллиардов лет. Но остается большая неопределенность в отношении времени, необходимого звезде с массой примерно равной массе Солнца, чтобы начать переход в субгигант, а затем превратиться в полноценную красную гигантскую звезду.

Это может занять 10 миллиардов лет, может быть 12 миллиардов лет, может быть какое-то промежуточное значение. Многие астрономы, занимавшиеся изучением шаровых скоплений, утверждали, что возраст самых старых из них составляет 14, а может быть, даже 16 миллиардов лет, но изменения в нашем понимании звездной эволюции теперь не позволяют так вольно интерпретировать данные.

Сегодня мы можем с уверенностью заключить, что нижний предел возраста Вселенной составляет около 12,5-13 миллиардов лет, но это не означает точного определения самого возраста. Это хорошее ограничение, но для получения точной цифры нам нужен более совершенный метод.

 

К счастью, Вселенная дает нам его. Общая теория относительности Эйнштейна для Вселенной, наполненной равномерным количеством материи и энергии везде и во всех направлениях, определяет прямую зависимость между двумя величинами:

  1. количество и типы материи и энергии, присутствующие в космосе,
  2. и как быстро расширяется Вселенная сегодня.

Такая взаимосвязь была впервые выведена в 1922 году Александром Фридманом; уравнения, позволяющие нам определить возраст Вселенной, известны как уравнения Фридмана. Нам потребовалось много лет, чтобы измерить составные части универсуиа, но в результате сложилась общая картина.

Наблюдения, начиная от легких элементов, скопления галактик и их столкновений, далеких сверхновых и заканчивая флуктуациями космического микроволнового фона, указывают на одну и ту же Вселенную. В частности, она состоит из:

  1. 68% темной энергии,
  2. 27% темной материи,
  3. 4,9% обычной материи (протоны, нейтроны и электроны),
  4. 0,1% нейтрино,
  5. 0,01% фотонов (частиц света, или излучения),
  6. и менее 0,4% всего остального, включая пространственную кривизну, космические струны, доменные стены и другие причудливые, экзотические компоненты.

Эта картина согласуется с полным набором наблюдений, которые у нас есть; вам придется очень сильно выбирать доказательства - чрезмерно подчеркивая измерения с большими неоднозначностями и одновременно игнорируя большие наборы данных - чтобы в итоге получить наборы значений, которые значительно отличаются друг от друга.

Итак, можно подумать, что все зависит от скорости расширения. Если провести точные измерения, то мы просто выполним математические вычисления.

Начиная с начала 2000-х годов, лучшие данные мы получаем от космического микроволнового фона: сначала от WMAP, затем от Planck, а с 14 июля 2020 года и от Космологического телескопа в Атакаме.

Все эти значения сходятся к одной и той же скорости расширения: 68 км/с/Мпк, с неопределенностью всего 1-2%. Если подсчитать, что это означает для возраста Вселенной, то получается очень надежное значение 13,8 млрд лет, полностью соответствующее всему, что мы знаем о звездах.

Подождите секунду. Возможно, вы слышали - и вполне обоснованно, - что по этому поводу существуют разногласия.

В то время как группы, измеряющие космический микроволновый фон, получают одно значение скорости расширения, другие группы, следящие за крупномасштабной структурой Вселенной, выходят на другие результаты.

Если посмотреть на измерения при помощи лестницы расстояний, то все они дают систематически более высокие значения: от 72 до 76 км/с/Мпк. То есть на 9% выше, чем значение, полученное из космического микроволнового фона.

Тогда можно подумать, что кто-то прав, а кто-то нет. Если команда исследователей, использующая метод лестницы расстояний права, а команда исследователей космического микроволнового фона ошибается, то, возможно, Вселенная на 9% моложе, чем мы думаем, - ей всего 12,8 млрд лет.

Но на практике все обстоит иначе. Данные космического микроволнового фона - это не то, что можно просто игнорировать; это то, с чем нужно считаться. Пики, долины и колебания, которые мы видим в колебаниях его температуры, являются отражением азличных параметров.

 

Конечно, лучше всего подходят значения для Вселенной, расширяющейся со скоростью 68 км/с/Мпк и имеющей 68% темной энергии, 27% темной материи и 5% обычной материи, но их можно варьировать, пока они меняются.

Хотя это не так хорошо соответствует данным, можно увеличить скорость расширения, скажем, до 74 км/с/Мпк, и все равно получить очень хорошее соответствие, при условии корректировки относительных долей темной материи и темной энергии.

При немного меньшем количестве ТМ (20%) и немного большем количестве ТЭ (75%), значительно более высокая скорость расширения все еще соответствует данным, хотя и не так хорошо, как консенсусные значения.

Однако самое интересное, что полученный возраст практически не меняется; если исследовать весь диапазон допустимых и недопустимых значений, то цифра в 13,8 млрд лет появляется лишь с неопределенностью около 1%: между 13,67 и 13,95 млрд лет.

Действительно, во Вселенной еще много загадок, которые предстоит раскрыть. Мы не знаем, насколько быстро расширяется Вселенная, и не знаем, почему разные методы измерения скорости расширения дают столь дико разные результаты.

Мы не знаем, что такое темная материя или темная энергия, и сохраняет ли общая теория относительности, на основе которой все это выведено, свою силу в самых больших космических масштабах.

Мы даже не знаем точно, какая часть Вселенной заперта в той или иной форме энергии: в ней может быть больше темной материи и меньше темной энергии, чем мы думаем, или наоборот; неопределенность существенна.

Но мы знаем, что все имеющиеся у нас данные согласуются с одним конкретным возрастом Вселенной: 13,8 миллиарда лет, с неопределенностью всего в 1% от этого значения.

Она не может быть на миллиард лет старше или моложе этой цифры, если только целый ряд вещей, которые мы измеряли, не привели нас к неверным выводам.

Если только космос не лжет нам или мы невольно обманываемся, то, что мы знаем как горячий Большой взрыв, произошло между 13,67 и 13,95 миллиардами лет назад: не меньше и не больше. Не верьте никаким утверждениям об обратном, не сравнив их с полным набором данных!

Дата: 02 декабря 2022

Автор: Этан Зигель

Поделиться с друзьями: