Возрастные ограничения
Вселенная не может быть «моложе» объектов, находящихся внутри нее. Определив возраст старейших звезд, ученые смогут оценить возрастные границы.
Жизненный цикл звезды основан на ее массе. Более массивные звезды горят быстрее, чем их «братья» и «сестры» поменьше. Звезда в 10 раз массивнее Солнца может гореть 20 млн лет, в то время как звезда с массой в половину Солнца проживет 20 млрд лет. Масса также влияет на яркость звезд: чем массивнее звезда, тем она ярче.
Космический телескоп NASA Hubble захватил изображение красного карлика CHXR 73 и его компаньона, как полагают, коричневого карлика. CHXR 73 на треть легче Солнца.
На этом изображении с космического телескопа Hubble представлен Сириус А, самая яркая звезда в нашем ночном небе, вместе со своей слабой и крошечной звездой-компаньоном Сириусом В. Астрономы намеренно передержали изображение Сириуса А, чтобы стал виден Сириус В (крошечная точка слева внизу). Перекрещенные дифракционные лучи и концентрические кольца вокруг Сириуса А, а также небольшое кольцо вокруг Сириуса В были созданы системой обработки изображения телескопа. Две звезды огибают друг друга каждые 50 лет. Сириус А находится в 8,6 световых годах от Земли и является пятой ближайшей известной нам звездной системой.
Плотные скопления звезд, известные как шаровые скопления, имеют сходные характеристики. В древнейших из известных шаровых скоплений есть звезды, которым от 11 до 18 млрд лет. Столь большой диапазон связан с проблемами в выявлении расстояний до скоплений, что сказывается на оценке яркости и, следовательно, массы. Если скопление находится дальше, чем предполагают ученые, то звезды будут ярче и массивные, а значит и моложе.
Неопределенность по-прежнему накладывает ограничения на возраст Вселенной, ей должно быть не менее 11 млрд лет. Она может быть старше, но никак не моложе.
Теория[ | ]
Возраст Вселенной как функция космологических параметров
Современная оценка возраста Вселенной построена на основе одной из распространённых моделей Вселенной, так называемой стандартной космологической ΛCDM-модели. Из неё, в частности, следует, что возраст Вселенной задаётся следующим образом:
t = 1 H 0 ∫ 0 1 d x x Ω Λ + Ω k x − 2 + Ω d x − 3 + Ω l x − 4 , x = a a 0 {\displaystyle t={\frac {1}{H_{0}}}\int \limits _{0}^{1}{\frac {dx}{x{\sqrt {\Omega _{\Lambda }+\Omega _{k}x^{-2}+\Omega _{d}x^{-3}+\Omega _{l}x^{-4}}}}},x={\frac {a}{a_{0}}}}
где H0 — постоянная Хаббла на данный момент, a — масштабный фактор.
Основные этапы развития Вселенной[ | ]
Большое значение для определения возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация[4]:
- Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, — это планковское время (10−43
после Большого взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий. По современным представлениям, эта эпоха квантовой космологии продолжалась до времени порядка
10−11 с
после Большого взрыва. - Следующая эпоха характеризуется рождением первоначальных частиц кварков и разделением видов взаимодействий. Эта эпоха продолжалась до времён порядка 10−2 с
после Большого взрыва. В настоящее время уже существуют возможности достаточно подробного физического описания процессов этого периода. - Современная эпоха стандартной космологии началась через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается до сих пор. В этот период образовались ядра первичных элементов, возникли звёзды, галактики, Солнечная система.
Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям, это произошло через 380 тыс. лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.
Расширение Вселенной
Вселенная, в которой мы живем, не плоская и не неизменная, она постоянно расширяется. Если скорость расширения станет известна, тогда ученые смогут начать работу в обратном направлении и определить возраст Вселенной. Таким образом, скорость расширения Вселенной, известная как постоянная Хаббла, является ключом.
Ряд факторов определяет значение этой константы. Прежде всего, это тип материи, которая доминирует во Вселенной. Ученые должны определить отношение обычной и темной материи к темной энергии. Плотность также играет роль. Вселенная с низкой плотностью материи старше той, где материи больше.
На этом композитном изображении с космического телескопа Hubble показано призрачное «кольцо» темной материи в скоплении галактик Cl 0024 +17.
Скопление галактик Abell 1689 славится своей способностью преломлять свет, это явление названо гравитационным линзированием. Новые исследования кластера раскрывают тайны о том, как темная энергия формирует Вселенную.
Чтобы определить плотность и состав Вселенной, ученые обратились к ряду миссий, таким Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и космическому аппарату Planck. Измерив тепловое излучение, оставшееся после Большого взрыва, миссии подобные этим способны определить плотность, состав и скорость расширения Вселенной. Оба проекта, и WMAP, и Planck, зафиксировали остатки излучения, называемые космическим микроволновым фоном, и нанесли их на карту.
В 2012 году WMAP предположил, что возраст Вселенной составляет 13,772 млрд лет с погрешностью в 59 млн лет. А в 2013 году Planck посчитал, что Вселенной 13,82 млрд лет. Оба результата попадают под минимум в 11 млрд, не зависимо от шаровых скоплений, и у обоих относительно небольшая погрешность.
Откуда мы знаем возраст Вселенной?
Если вы не занимаетесь астрономией на уверенном уровне, вы наверняка хоть раз задавались вопросом: сколько существует независимых способов измерения возраста Вселенной? Ученые рады были бы сказать, что есть множество линий доказательств, которые указывают на возраст Вселенной в 13,8 миллиарда лет, подобно тому, как есть множество независимых указателей в пользу существования темной материи. Но на самом деле, есть только два хороших свидетельства, и одно лучше другого.
«Хороший» способ узнать возраст Вселенной — изучить тот факт, что она расширяется и остывает, и признать, что в прошлом она была горячее и плотнее. Если мы вернемся в древнейшие времена, мы выясним, что объем Вселенной был меньше, и не только материя была сбита плотнее, но и длины волн отдельных фотонов (частиц света) были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до нынешней длины.
Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, чем короче длина волны фотона, тем выше его энергия и температура. По мере того как мы будем возвращаться все дальше и дальше во времени, температура будет расти все выше и выше, пока в какой-то момент мы не достигнем самых первых стадий Большого Взрыва.
Это важно, запомним: есть «ранняя стадия» горячего Большого Взрыва.
Если бы у нас была возможность протягивать щуп «бесконечно» в обратном направлении, мы бы достигли сингулярности, в которой известная нам физика не работала бы. В нашем современном понимании самой ранней Вселенной известно, что инфляционному состоянию предшествовал горячий и плотный Большой Взрыв, а инфляционное состояние длилось неопределенное время.
Поэтому когда мы говорим о «возрасте Вселенной», мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, как Вселенную можно было впервые описать как Большой Взрыв, и до сегодняшнего дня.
Согласно законам общей теории относительности, если у вас будет Вселенная вроде нашей, которая:
- а) с однородной плотностью на крупнейших масштабах;
- б) имеет одни и те же законы и общие свойства во всех местах;
- в) одинакова во всех направлениях и
- г) в которой Большой Взрыв произошел во всех местах одновременно и всюду, то
есть уникальная связь между возрастом Вселенной и ее расширением в процессе творения ее истории.
Другими словами, если бы мы могли измерить расширение Вселенной сегодня и то, как она расширилась за всю свою историю, мы бы точно узнали, какие различные компоненты ее составляют. Мы узнали это из ряда наблюдений, включая:
- Прямые измерения яркости и расстояния до объектов во Вселенной вроде звезд, галактик и сверхновых, которые позволили нам выстроить линейку космических расстояний.
- Измерения крупномасштабной структуры, кластеризации галактик и барионных акустических колебаний.
- Колебания в микроволновом космическом фоне, такой себе «снимок» Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет.
Вы собираете все это воедино и получаете Вселенную, которая сегодня состоит на 68% из темной энергии, на 27% из темной материи, на 4,9% из обычной материи, на 0,1% из нейтрино, на 0,01% из излучения, ну и всякого «по мелочи».
Затем вы смотрите на расширение Вселенной сегодня и экстраполируете его обратно во времени, собирая воедино историю расширения Вселенной, а значит и ее возраст.
Мы получаем цифру — наиболее точно от Планка, однако дополненную другими источниками вроде измерений сверхновых, ключевого проекта HST и Sloan Digital Sky Survey — возраста Вселенной, 13,81 миллиарда лет, плюс-минус 120 миллионов лет. Мы уверены в возрасте Вселенной с 99,1-процентной вероятностью, и это весьма круто.
У нас есть целый ряд различных наборов данных, которые указывают на такой вывод, но они, на деле, получены с помощью одного метода. Нам просто повезло, что есть согласованная картина, все точки которой указывают в одном направлении, но в действительности невозможно точно назвать возраст Вселенной. Все эти точки предлагают разные вероятности, и где-то на пересечении рождается наше мнение относительно возраста нашего мира.
Если бы Вселенная обладала теми же свойствами, но состояла на 100% из обычной материи (то есть без темной материи или темной энергии), нашей Вселенной было бы всего 10 миллиардов лет. Если бы Вселенная состояла из обычной материи на 5% (без темной материи и темной энергии), а постоянная Хаббла составляла бы 50 км/с/Мпк, а не 70 км/с/Мпк, нашей Вселенной было бы 16 миллиардов лет. С комбинацией всего этого, мы почти наверняка можем сказать, что возраст Вселенной — 13,81 миллиарда лет. Выяснить эту цифру — огромный подвиг для науки.
Этот метод выяснения по праву лучший. Он главный, уверенный, наиболее полный и проверен множеством разных улик, указывающих на него. Но есть и другой метод, и он весьма полезен для проверки наших результатов.
Он сводится к тому, что мы знаем, как живут звезды, как они сжигают свое топливо и умирают. В частности, мы знаем, что все звезды, пока живут и прожигают основное топливо (синтезируя гелий из водорода), обладает определенной яркостью и цветом, и остаются при этих специфических показателях конкретный отрезок времени: пока в ядрах не заканчивается топливо.
В этот момент яркие, синие и массивные звезды начинают эволюционировать в гиганты или сверхгиганты.
Глядя на эти точки в скоплении звезд, которые образовались в одно время, мы можем выяснить — если, конечно, знаем принцип работы звезд — возраст звезд в кластере. Глядя на старые шаровые скопления, мы выясняем, что эти звезды чаще всего пришли к жизни примерно 13,2 миллиарда лет назад. (Впрочем, есть небольшие разбегания в миллиард лет).
Возраст в 12 миллиардов лет довольно распространен, но возраст в 14 миллиардов лет и больше — это что-то странное, хотя был период в 90-х, когда возраст в 14-16 миллиардов лет упоминался довольно часто. (Улучшенное понимание звезд и их эволюции существенно занизили эти цифры).
Итак, у нас есть два метода — космической истории и измерения локальных звезд, — которые указывают на то, что возраст нашей Вселенной — 13-14 миллиардов лет. Никого не удивит, если возраст уточнится до 13,6 или даже до 14 миллиардов лет, но вряд ли это будет 13 или 15. Если вас будут спрашивать, говорите, что возраст Вселенной 13,8 миллиарда лет, претензий к вам не будет.
