Постоянная Хаббла и возраст Вселенной
Каков возраст Вселенной? После многолетних ожесточенных споров некоторые астрономы пришли к выводу, что они установили это число — с точностью примерно 10 %. По их оценкам, Вселенной или около 12, или около 13,5 миллиарда лет. Первая цифра означает, что Вселенная будет расширяться вечно, но все медленнее и медленнее, а вторая — что какая-то таинственная сила ускоряет расширение Вселенной (см. раздел «Темная энергия: расширение ускоряется?» выше в этой главе) [39] .
Насколько быстро движутся галактики?
Оценки возраста Вселенной в значительной степени зависят от числа, которое занимало астрономов в течение десятилетий, — это постоянная Хаббла, представляющая собой скорость расширения Вселенной в настоящее время. Поиски этого числа начались в 1929 году, когда астроном Эдвин Хаббл обнаружил доказательства того, что мы живем в расширяющейся Вселенной. В частности, он сделал замечательное открытие: все далекие галактики (находящиеся за пределами Местной Группы Галактик, о которой говорилось в главе 12), похоже, удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути.
При этом Хаббл обнаружил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Представим, например, две галактики, одна из которых в 2 раза дальше от Млечного Пути, чем другая. Так вот: галактика, которая в 2 раза дальше, удаляется в 2 раза быстрее. (По общей теории относительности Эйнштейна сами галактики не движутся; расширяется ткань пространства, в которую они включены.) Это соотношение называется законом Хаббла.
Коэффициент, связывающий расстояние до галактики со скоростью ее удаления, называется постоянной Хаббла и обозначается Н0. Другими словами, скорость удаления галактики равна H0, умноженной на расстояние до галактики. Таким образом, Н0 выражает собой степень скорости расширения Вселенной и, следовательно, определяет ее возраст.
Постоянная Хаббла измеряется в километрах в секунду на мегапарсек. (Один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет.) После многолетних исследований астрономам с помощью телескопа «Хаббл» (обсерватория, находящаяся на орбите Земли и названная в честь Эдвина Хаббла) недавно удалось установить значение постоянной Хаббла. Они сообщили, что она примерно равна 70 (км/с)/Мпс. Это означает, что галактика, находящаяся на расстоянии примерно 30 мегапарсеков (около 100 миллионов световых лет) от Земли, удаляется от нас со скоростью 2100 км/с.
Непостоянная постоянная?
Но постоянная Хаббла на самом деле может вовсе и не быть постоянной. Причины этого следующие: взаимное гравитационное притяжение галактик могло замедлить расширение, которое началось после Большого Взрыва, или какая-то таинственная космическая энергия недавно его ускорила. Скорость расширения в прошлом могла быть другой. Аналогично, величина, обратная постоянной Хаббла, (т. е. 1/H0), — так называемый хаббловский возраст (Hubble age) — может указывать на возраст Вселенной, если с момента Большого Взрыва скорость расширения была постоянной.
Ученые вычисляют величину Н0 делением скорости движения галактик на расстояние до них. Скорость получить просто: астрономы анализируют длины световых волн, излучаемых или поглощаемых галактикой. Свет от объекта, который удаляется от Земли, смещается в красную область спектра, т. е. в область больших длин волн. Чем больше красное смещение, тем быстрее удаляется от нас галактика.
А вот измерить расстояние до галактики гораздо труднее.
Чтобы точно измерить скорость расширения Вселенной, астрономы должны оценить расстояние до очень отдаленных галактик, находящихся на расстоянии 600 миллионов (или больше) световых лет от Земли. На меньших расстояниях расширению частично противодействует гравитационное притяжение галактик, которые находятся сравнительно недалеко от Млечного Пути.
Но у астрономов нет абсолютно надежного способа непосредственного измерения расстояний до отдаленных галактик. Вместо этого им приходится довольствоваться разнообразными косвенными методами. Делая калибровку расстояния до соседних галактик, а затем двигаясь дальше, шаг за шагом, к более отдаленным галактикам, астрономы постепенно, по кусочкам, составляют «измерительную линейку» для Вселенной.
Источник
Ученые рассчитали точный возраст Вселенной
Группа ученых из США и Великобритании уточнила значение постоянной Хаббла, который используют в расчете возраста Вселенной. Для этого за основу был взят принципиально новый метод вычислений. Результаты исследования появились в журнале Astronomical Journal.
На сегодняшний день для расчета времени Большого взрыва, который породил Вселенную, ученые прибегают к компьютерному моделированию. Оно основано на удаленности старейших звезд, а также поведении галактик и скорости расширения Вселенной.
Одним из основных параметров расчета является постоянная Хаббла (скорость расширения Вселенной). Она была названа в честь ученого Эдвина Хаббла, который впервые рассчитал скорость расширения Вселенной в 1929 году.
Американские и британские физики прибегли к новому методу, не зависящему от коэффициента Хаббла. Они решили использовать вместо этого эмпирические наблюдения зависимости Талли — Фишера, которые связывают массу или светимость спиральной галактики со скоростью ее вращения.
Физики, знавшие точные расстояния до 50 галактик, сумели определить удаленность еще 95. Кроме того, они рассчитали точные значения коридора отношений Талли — Фишера. Благодаря уточненным массам и скоростям вращений галактик ученые математическим путем получили возраст и скорость расширения Вселенной.
По выводам исследователей, постоянная Хаббла составляет 75,1±2,3 километра в секунду на мегапарсек, а возраст Вселенной — приблизительно 12,6 миллиарда лет.
Источник
Как посчитать возраст Вселенной?
Очень часто в комментариях к нашим статьям люди оспаривают возраст Вселенной и предлагают в альтернативу самые разные цифры, поэтому я решил написать статью о том, какие ещё есть оценки возраста Вселенной и почему основной считается оценка в 13,8 млрд лет.
Существует несколько различных методов, по которым оценивают возраст Вселенной. Среди них: изучение древнейших объектов во Вселенной; оценка возраста с помощью космологических моделей основанных на постоянной Хаббла и множество других. Разные методы дают существенно разные оценки возраста Вселенной, мы рассмотрим наиболее интересные из них.
Оценка по радиоактивным элементам.
Из-за нестабильности ядер многие химические элементы и их изотопы, распадаются со временем. Скорость этого распада может быть использована для датировки многих объектов и явлений в природе, включая возраст самой Вселенной. Тяжёлые радиоактивные элементы во Вселенной образовывались при взрывах сверхновых и нейтронных звёзд. Для того чтобы оценить по ним возраст Вселенной, мы должны рассчитать возраст радиоактивных образцов методами радиоизотопной датировки и сложить его с возрастом сверхновой первого поколения, из которой эти образцы образовались. Если добавить к этому ещё и время образования самой звезды, примерно 1 миллиард лет, мы получим оценку возраста Вселенной в диапазоне от 11 до 18 млрд лет. Однако, наличие большого количества источников радиоактивных элементов и невысокая точность определения изотопного состава на таких расстояниях делает этот метод неточным.
Оценка по древнейшим шаровым скоплениям звёзд.
Шаровые скопления — это плотные, похожие на улей конгломерации звёзд, расположенные на внешних краях нашей Галактики, они являются древнейшими объектами во Вселенной. Их возраст определяют по теории звёздной эволюции, рассчитывая возраста звёзд, входящих в скопление, и находя самые старые звёзды в скоплении. В зависимости от процентного содержания тяжёлых элементов шаровые скопление разделяют на два типа: богатые металлами и бедные. Возраст скоплений с малым содержанием металлов, таких как M15 и M92, оценивается до 17 миллиардов лет, тогда как для скоплений более богатых металлами они колеблется в диапазоне от 11 до 12 млрд лет.
Если предположить, что древнейшим из шаровых скоплений около 17 миллиардов лет, мы можем сделать вывод, что Вселенной около 18 млрд лет, если учесть ещё 1 млрд лет, необходимых для образования первых звёзд и скоплений.
Проблемой данного метода является невозможность учесть перетекания вещества со звезды на звезду в прошлом, что может существенно влиять на оценку возраста звезды.
Оценка по белым карликам.
Белый карлик — это ядро звезды, оставшееся после сброса оболочки. Средняя плотность карлика в миллион, а иногда и в миллиард раз больше, чем у воды. Белые карлики светятся только за счёт остаточного тепла, накопленного ещё до сброса оболочки и соответственно со временем их температура уменьшается, а сам карлик будет становиться более тусклым. Зная, как образуются белые карлики и анализируя температуру, химический состав и размер белого карлика можно оценить продолжительность времени, в течение которого он остывал. Таким образом, учёные оценили возраст Млечного Пути в 9,5 ± 1,1 млрд лет, а на формирование нашей галактики ушло ещё около 2 млрд лет, в итоге возраст Вселенной оценивается в 11,5 ± 1,1 млрд лет. Однако, другие исследования использовавшие белые карлики в звёздных скоплениях оценили возраст Вселенной в 12,8 ± 1,1 млрд лет.
Проблемой данного метода является неточность в оценке времени формирования галактики и проблемы в обнаружении старых белых карликов из-за их тусклости, возможно, мы просто ещё не нашли более старые карлики.
Оценка по реликтовому излучению.
Данный метод является наиболее точным и одним из наиболее сложных на сегодняшний день. Дело в том, что реликтовое излучение, сформированное вскоре после большого взрыва, имело определённые известные длины волн, со временем, за счёт расширения Вселенной, эти волны растягивались и их длина соответственно возрастала. Фиксируя современные длинны волн реликтового излучения, зная скорость расширения Вселенной в настоящем и анализируя её в прошлом (очень непростая задача) мы можем рассчитать сколько времени ушло на такое растяжение волн, а значит как давно они были излучены.
Но реликтовое излучение сформировалось не сразу после большого взрыва, как оказалось, их разделяет 379 тыс. лет. Это удалось определить благодаря анализу интенсивности этого излучения с разных участков неба, которые показали насколько успела сгуститься материя во Вселенной к моменту образования реликтового излучения.
В 2012-м году, по данным телескопа WMAP, возраст Вселенной оценили в 13,772 миллиарда лет с погрешностью в 59 миллионов лет, а в 2013-м, по данным Planck, в 13,82 млрд лет. Согласно современным данным, возраст Вселенной составляет 13.798 ± 0.037 млрд лет.
Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Источник
Возраст Вселенной
Возраст Вселенной по современным оценкам составляет 13,7 ± 0,2 млрд лет. Этим понятием называют временной отрезок от момента начала расширения Вселенной и до сегодняшнего дня. Определить данное значение можно большим множеством способов, которые мы рассмотрим далее.
Первые предположения
Вопросом о возрасте мироздания философы задавались еще в античность. Греки и вавилоняне утверждали о вечности мира, индуисты же в 150-м году до н.э. определили точную цифру — 1 млрд. 972 млн. 949 тыс. 091 год, и среди своих современников оказались ближе всех к истине. В XVII веке английский теолог Джон Лайтфут глубоко проанализировав библейские тексты, заявил, что сотворение мира выпало на 3929 год до н.э.
Однако, известные ученые того времени, а именно немецкий астроном Иоганн Кеплер и английский физик Исаак Ньютон, опираясь не только на Библию, но и на астрономические наблюдения, все же недалеко ушли от теологов и представили 3993 и 3988 годы до н.э.
Определение возраста Земли
С середины XVIII века люди начали направленно изучать возраст Земли. Согласно известным физическим моделям ученый из Франции Жорж-Луи Леклерк де Бюффон оценил время, которое потребовалось бы для понижения температуры Земли с момента ее образования до той, которую имеет она сегодня (от 75 до 168 тыс. лет). Как утверждает физическая модель Земли, изначально она представлялась раскаленным шаром. В 1895-м году инженер из Ирландии — Джон Перри пересчитал эту цифру и получил 2–3 млрд лет. В 1896-м году Антуан Беккерель открыл радиоактивность, а спустя 9 лет британский физик Эрнест Резерфорд предложил метод оценки возраста земных пород при помощи радиоактивного распада.
Идея заключалась в том, чтобы определить, какая часть радиоактивного изотопа успела распасться, используя известные периоды полураспада, вычислить возраст образца. Основы радиоизотопного датирования разработал американский радиохимик Бертрам Болтвуд. При помощи данного метода в 1920-х годах было выявлено, что возраст некоторых минералов около 2-х миллиардов лет! Очевидно, возраст Земли не может превышать возраст самого мироздания, поэтому это открытие подвигло ученых найти действенный метод подсчета возраста Вселенной.
Сегодня считается, что с момента зарождения Земли как планеты прошло 4,54 ± 0,05 млрд лет.
Тепло белых карликов
Как нам известно, белые карлики , конечный этап жизни большинства звезд, очень долго остывают. Определив основные характеристики такой звезды, можно рассчитать ее изначальную температуру, а также скорость, с которой она остывает. На основе этих данных уже относительно просто высчитывается возраст рассматриваемого белого карлика. Совершивший множество значительных открытий, телескоп «Хаббл» в 2002-м и 2007-м годах обнаружил самых холодных белых карликов. Возраст этих светил оказался 11,5-12 млрд лет. Если прибавить к этим значениям от полумиллиарда до миллиарда лет (возраст звезд, образовавших этих белых карликов), то получится минимальное значение возраста Вселенной.
Максимальный возможный возраст определяется отсутствием менее разогретых белых карликов и составляет 15 млрд лет. Так как если бы мироздание было старше, то ученым удалось бы обнаружить хотя бы несколько настолько древних объектов.
Старые звездные скопления
Млечный Путь насчитывает более 160-ти так называемых шарообразных звездных скоплений , число звезд в которых может колебаться от тысяч до миллионов. При этом все эти светила, связаны гравитационной силой, и вероятнее всего образовались из одного газового облака. Отсюда следует, что большая часть звезд таких скоплений зародилась практически в одно время. В силу своего строения и размеров каждая звезда пошла своим эволюционным путем, а некоторые уже находятся на стадии того же белого карлика. Высчитывая возраст каждой астрономической единицы рассматриваемого скопления, можно с большой точностью определить возраст самого шарообразного скопления.
При помощи того же телескопа «Хаббл» астрономы смогли проанализировать возраст 41 шарообразного звездного скопления Млечного Пути. В результате было выявлено, что все скопления нашей галактики не младше 10 млрд лет, а наиболее старое (M4) имеет возраст 12,7 ± 0,7 миллиардов лет. Поэтому, учитывая некоторое время до формирования звезд, нижней границей возраста Вселенной стало число 13 млрд лет.
Хаббловское время
Но вопросом о возрасте мироздания занимался не только телескоп, названый в честь ученого, но и сам ученый, американский астроном Эдвин Хаббл. Ему удалось вывести свою известную формулу v = H*D, где v – скорость расширения Вселенной, D – расстояние от наблюдаемой галактики до наблюдателя, а H – постоянная Хаббла, которая обратно пропорциональна времени. О существовании постоянной Хаббла, как величины, определяющей зависимость между расстоянием до объекта и скоростью его удаления, впервые предположил священник астроном из Бельгии — Жорж Леметр. Согласно его идее, мир произошел из одного, условно говоря, атома, а после — стал расширяться. Позже, эта теория шутливо была названа «Большим Взрывом» , но в дальнейшем этот термин прочно закрепился в космологии.
Спустя некоторое время, в 1929 году Э. Хаббл получил более точное значение упомянутой постоянной. Очевидно, что возраст мироздания напрямую зависит от постоянной Хаббла. Изначально, используя имеющуюся модель Вселенной, ученые рассчитали, что величину, обратно пропорциональную постоянной Хаббла нужно умножить на 2/3. Однако в таком случае искомая величина составляет около 1,2 млрд лет, число, близкое к тому, что предложили индуисты еще в 150-м году до н.э. Впрочем, к концу XX-го века уже были получены астрономические данные, которые говорили о возрасте 13-15 млрд лет.
Как выяснилось, причиной неправильной оценки стали неверные представления о расширении Вселенной. Только в 1999-м году две группы астрономов смогли доказать, что последние 5-6 млрд лет расширение космического пространства ускоряется, а не замедляется, как считалось ранее. По современным подсчетам этим методом ученые вывели значение 13,798 ± 0,037 лет.
Микроволновое излучение
30 июня 2001 года NASA запустила в космос аппарат под названием Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WNAP), задача которого изучать реликтовое излучение . При помощи результатов его наблюдений была построена новая карта (с разрешением в 35 раз больше, нежели предыдущая) распределения реликтового, микроволнового излучения. Анализируя эту карту, помимо насыщенной полосы в центре, излучаемой Млечным Путем, можно заметить распределение реликтового излучения за его пределами. Явно видимые неоднородности формируют пятнистую структуру, причем неравномерную. Подробное изучение этой структуры дает возможность точно оценить время, которое понадобилось для ее образования, вследствие Большого Взрыва. Оно составляет 13,7 ± 0,2 млрд лет.
При помощи описанных выше методов, ученые смогли достаточно точно определить возраст Вселенной, что несет первостепенное значение для космологии, а также для понимая нашего мироздания в целом.
Источник