Спросите Итана: откуда нам известно, что Вселенной 13,8 млрд лет?

Когда мы смотрим назад на все большие и большие расстояния, мы также смотрим дальше назад во времени. Как далеко мы должны вернуться, чтобы дойти до рождения нашей Вселенной? Изображение предоставлено: ЕКА / Хаббл и НАСА; Благодарность: Джуди Шмидт.

Вы уже наверняка слышали, что Вселенная началась с Большого взрыва 13,8 млрд лет назад, и сформировала атомы, звёзды, галактики, и, наконец, планеты с нужным для появления жизни составом. Заглядывая в отдалённые места Вселенной, мы также заглядываем и назад во времени, и каким-то образом, благодаря возможностям физики и астрономии, мы вычислили не только, как началась Вселенная, но и её возраст. Но откуда нам известно, сколько ей лет? Именно такой вопрос и задаёт нам читатель:

Итан, как подсчитали это число в 13,8 млрд лет? (Только объясни понятным языком, пожалуйста!)

На самом деле есть два разных, независимых метода измерения этой величины, и хотя один из них гораздо точнее другого, в менее точном используется гораздо меньше предположений.

Излучение смещается в красную сторону по мере расширения Вселенной, что означает, что в прошлом Вселенная было более энергичным, с большим количеством энергии на фотон. Изображение предоставлено: Э. Сигель.

Излучение смещается в красную сторону по мере расширения Вселенной, что означает, что в прошлом Вселенная было более энергичным, с большим количеством энергии на фотон. Изображение предоставлено: Э. Сигель.

Более точный метод предлагает подумать о том, что Вселенная расширяется и охлаждается, а значит, в прошлом она была горячее и плотнее. Если возвращаться назад во времени, мы обнаружим, что в меньшей по объёму Вселенной не только вся материя располагалась ближе друг к другу, но и длины волн всех фотонов были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до сегодняшнего состояния.

Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, коротковолновый фотон более энергичен и горяч. Чем дальше мы будем возвращаться во времени, тем выше будет температура, пока в какой-то момент мы не достигнем самых ранних этапов Большого взрыва. Важно: у горячего Большого взрыва был этап, который можно назвать самым ранним!

Если мы будем вести экстраполяцию в прошлое бесконечно, то достигнем сингулярности, в которой физика перестаёт работать. С нашим современным пониманием раннего состояния Вселенной мы знаем, что горячему и плотному Большому взрыву предшествовало состояние инфляции, и её длительность была неопределённой. Когда мы говорим о возрасте Вселенной, мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, когда Вселенную впервые можно было описывать через горячий Большой взрыв.

После того, как космическая инфляция закончится, мы сможем описать нашу Вселенную так, как мы делаем сегодня, и начать отсчет времени с горячего Большого взрыва. Изображение предоставлено: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); модификации Э. Сигеля.

По законам Общей теории относительности, в такой Вселенной, как наша:

• с одинаковой плотностью на крупнейших масштабах,

• с одинаковыми законами и свойствами во всех местах,

• одинаковой по всем направлениям,

• с Большим взрывом, случившимся во всех местах одновременно,

существует уникальная связь между возрастом Вселенной и её расширением в течение жизни.

Скорость расширения Вселенной определяется различными типами и процентным содержанием вещества и энергии, присутствующих в ней. Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и А. Фейлдом (STScI).

Иначе говоря, если мы сможем измерить, как Вселенная расширяется сегодня, и как она расширялась в течение жизни, мы точно вычислим, из каких компонентов она состоит. Нам это известно из множества различных наблюдений, а именно:

• Из прямых измерений яркости и расстояний до таких объектов Вселенной, как звёзды, галактики и сверхновые, которые позволяют нам построить космическую лестницу расстояний.

• Из измерений крупномасштабных структур, скоплений галактик и барионных акустических осцилляций.

• Из флуктуаций в фоновом излучении, в «фотографии» Вселенной, сделанной, когда ей было 380 000 лет.

Три различных типа измерений, индикаторы расстояний в звездах и галактиках, крупномасштабная структура Вселенной и флуктуации реликтового излучения рассказывают нам историю расширения Вселенной. Изображения предоставлены: ESA / Hubble и NASA, Sloan Digital Sky Survey, ESA и Planck Collaboration.

Объединив всё это, мы получим Вселенную, в настоящий момент состоящую на 68% из тёмной энергии, на 27% из тёмной материи, на 4,9% из нормальной материи, на 0,1% из нейтрино, на 0,01% из излучения, и, в общем-то, всё. Но если добавить сегодняшние особенности расширения Вселенной, это можно экстраполировать назад и узнать всю историю расширения, и, следовательно, возраст Вселенной.

Распад различных компонентов, влияющих на плотность энергии Вселенной, как функция времени. Изображение предоставлено: Э. Сигель.

Получившееся число – точнее всего нам даёт его эксперимент Планк, но вносят свои коррективы и другие источники, вроде измерений сверхновых, телескоп Хаббла и Слоановский небесный цифровой обзор – оказывается равным 13,81 млрд лет, с погрешностью всего в 120 млн лет. Это значит, что в возрасте Вселенной мы уверены на 99,1%, что удивительно точно!

Да, различных данных, указывающих на это число, у нас много, но на самом деле это один метод. Нам просто повезло, что существует непротиворечивая картинка, на которую указывают все данные, но каждого из этих ограничений по отдельности недостаточно, чтобы сказать: «Вселенная именно такая». Вместо этого все они предлагают набор возможностей, и о том, где мы живём, говорит место их пересечений.

Комбинация трех основных типов наборов данных, индикаторов расстояния, таких как сверхновые, кластеризация галактик и реликтовое излучение, указывают на то, что именно составляет нашу Вселенную. Изображение предоставлено: Suzuki et al. (The Supernova Cosmology Project), принято к публикации, Ap.J., 2011., через  http://supernova.lbl.gov/Union/

Если бы у Вселенной сегодня были абсолютно те же свойства, но она состояла бы на 100% из нормальной материи, без тёмной материи и тёмной энергии, то ей было бы всего 10 млрд лет. Если бы во Вселенной было 5% нормальной материи (без тёмной материи и тёмной энергии), а константа Хаббла равнялась бы 50 км/с/Мпс вместо 70км/с/Мпс, то Вселенной было бы 16 млрд лет. Но, комбинируя все известные данные, мы с уверенностью можем заявить, что 13,81 млрд лет – это возраст Вселенной с небольшой погрешностью. Это удивительное достижение науки.

И всё это в целом даёт один метод. Это главный, лучший, наиполнейший метод, с огромным количеством различных доказательств. Но есть и ещё один факт, удивительно полезный для проверки наших результатов.

Мерцающие звезды, которые вы видите, свидетельствуют об изменчивости, которая связана с уникальным соотношением периода и яркости. Изображение предоставлено: Джоэл Д. Хартман, Принстонский университет, через http://www.astro.princeton.edu/~jhartman/M3_movies.html

Это факт нашего понимания того, как звёзды живут, сжигают своё топливо и умирают. Конкретнее, мы знаем, что у всех звёзд, когда они живы и сжигают своё главное топливо (синтезируют гелий из водорода), есть определённая яркость и цвет, и они сохраняют эти яркость и цвет определённый промежуток времени: пока в их ядрах не начинает заканчиваться горючее.

В этот момент яркие, голубые и более массивные звёзды начинают «выключаться» из главной последовательности (кривой на диаграмме цвета и величины), превращаясь в гигантов и/или сверхгигантов.

Жизненные циклы звезд можно понять в контексте диаграммы цвет / величина, показанной здесь. Изображения предоставлены: Ричард Пауэлл под c.c.-by-s.a.-2.5 (L); Р. Дж. Холл под управлением c.c.-by-s.a.-1.0 (R).

Посмотрев, где находится эта точка «выключения» для скопления звёзд, появившихся примерно в одно и то же время, мы можем подсчитать – зная, как работают звёзды – сколько лет звёздам в кластере. Рассматривая самые старые шаровые скопления, где содержится меньше всего тяжёлых элементов, и чьи выключения случаются со звёздами наименьшей массы, мы обнаруживаем, что их возраст весьма последовательно оказывается равным 13,2 млрд лет, но не более того (имейте в виду, что в этом случае погрешность довольно велика, порядка миллиарда лет).

Самые древние известные шаровые скопления содержат звезды возрастом до 95% Вселенной. Изображение предоставлено: ЕКА / Хаббл и НАСА.

Довольно часто встречается возраст в 12 млрд лет, но возрасты порядка 14 млрд лет и более не встречаются никогда, хотя в 1990-х часто упоминали о возрастах в 14-16 млрд лет. Улучшение понимания работы звёзд и их эволюции снизило эти цифры.

В общем, у нас есть два метода – один из космической истории, а второй – из измерения локальных звёзд – показывающих, что возраст нашей Вселенной находится в промежутке от 13 до 14 млрд лет. Никого бы не удивило, если бы нам оказалось 13,6 млрд или 14,0 млрд, но можно с большой точностью заявить, что нам не 13,0 или 15,0 млрд лет. Говорите с уверенностью, что нам 13,8 млрд лет – теперь вы знаете, как мы это подсчитали!

Источник:
Ask Ethan: How Do We Know The Universe Is 13.8 Billion Years Old?