Как определить возраст вселенной кратко

Спросите Итана №99: откуда нам известен возраст Вселенной?

Юность – подарок природы, а старость – произведение искусства.
— Станислав Ежи Лец

Каждую неделю в нашем блоге освещаются чудеса Вселенной. У вас есть возможность отправлять вопросы и предложения в еженедельную колонку «Спросите Итана», и периодически я выбираю один из вопросов, чтобы ответить на него. Сегодняшний вопрос не только получит ответ от Итана – он и задан будет Итаном, только по фамилии Барбур, который спрашивает:

У меня вопрос по астрономии, по сути такой: сколько существует независимых способов измерения возраста вселенной?

Я бы с удовольствием сообщил вам, что таких способов великое множество, и все они указывают на возраст в 13,8 миллиарда лет, точно так же, как существует множество доказательств существования тёмной материи. Но на самом теле их только два, причём один сильно лучше другого.

«Хороший» способ предлагает подумать о том, что в наше время Вселенная расширяется и охлаждается, и понять, что из этого следует, что в прошлом она была горячее и плотнее. Если мы отправимся в прошлое, во всё более ранние времена, то мы обнаружим, что при меньшем объёме Вселенной частицы материи в ней были не только ближе друг к другу, но и длины волн фотонов были короче, поскольку расширение Вселенной растягивало их до такого состояния, в каком мы их видим сегодня.

Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, фотон с меньшей длиной волны более энергичный и горячий. Перемещаясь назад во времени, мы видим повышение температуры, и в какой-то момент достигаем ранних фаз Большого взрыва.

Это важно: существует «самая ранняя» стадия Большого взрыва!

Если мы будем экстраполировать назад бесконечно, мы дойдём до сингулярности, где физика перестаёт работать. Наше современное понимание ранних фаз Вселенной даёт нам понять, что Большому взрыву предшествовала фаза инфляции, и длительность этого состояния не определена.

Говоря о возрасте Вселенной, мы говорим о времени, прошедшем с тех пор, как Вселенную впервые стало возможно описывать через горячий Большой взрыв, и до сегодняшнего дня.

По законам Общей теории относительности, в нашей Вселенной, в которой:
• плотность на крупнейших масштабах равномерна,
• везде действуют одинаковые законы и общие свойства,
• вне зависимости от выбранного направления везде всё одинаково,
• Большой взрыв случился везде одновременно,

существует уникальная связь между её возрастом и расширением всё время её существования.

Иначе говоря, сумев измерить, как расширяется Вселенная сейчас, и как она расширялась в течение своей жизни, мы узнаем, из чего она состоит. Мы можем узнать это через множество наблюдений, включающих:

• Прямые измерения яркости и расстояния до объектов Вселенной, таких, как звёзды, галактики, сверхновые, что позволяет нам построить лестницу космических расстояний.

• Измерение крупномасштабных структур, скоплений галактик, и барионных акустических осцилляций.

• Измерение флюктуаций реликтового излучения, «фотографию» Вселенной, сделанную в возрасте 380 000 лет.

Если сложить всё это вместе, то мы получим Вселенную, состоящую сегодня 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.

Рассмотрев сегодняшнее расширение Вселенной, мы сможем провести экстраполяцию назад во времени, узнать историю её расширения, а, следовательно, и возраст.

Полученное число – точнее всего с телескопа Планк, но дополненное и другими источниками, например, измерением сверхновых, ключевого проекта телескопа им. Хаббла по измерению межгалактических расстояний и Слоановским цифровым небесным обзором – мы получим, что возраст Вселенной сегодня 13,81 миллиарда лет с погрешностью всего в 120 миллионов лет. Это значит, что мы уверены в возрасте на 99,1%, что весьма удивительно!

Да, у нас есть разные наборы данных, приводящие к этому заключению, но на самом деле, метод один и тот же. Нам просто повезло, что существует согласованная картинка, на которую они все указывают, но на самом деле, ни одного из этих ограничений самого по себе недостаточно, чтобы сказать «вот такая вот у нас Вселенная». Все они предлагают набор вариантов, и лишь их пересечение говорит нам о том, где мы живём.

Если бы у Вселенной были те же свойства, что и сегодня, но она на 100% состояла бы из нормальной материи, безо всякой тёмной материи и тёмной энергии, то её возраст должен был бы составлять всего 10 миллиардов лет. Если бы во Вселенной было 5% нормальной материи (безо всякой тёмной материи и тёмной энергии), а постоянная Хаббла равнялась бы 50 (км/с)/Мпк, а не 70 (км/с)/Мпк, то Вселенной было бы 16 миллиардов лет. Но комбинация всех точно свойств говорит нам о возрасте в 13,81 миллиарда лет, с малой погрешностью. И это удивительное достижение науки.

Но это один метод. Он главный, лучший, наиболее полный, и на него указывают горы доказательств. Есть и ещё один, и для проверки результатов он очень полезен.

Это то, что мы знаем особенности жизни звёзд, сжигания их топлива и их смерти. Точнее, мы знаем, что у всех звёзд, когда они живы и сжигают основное топливо (проводя синтез гелия из водорода), есть конкретная яркость и цвет, и они удерживают эту яркость и цвет определённое время: пока в их ядрах не начнёт заканчиваться топливо.

В этот момент самые яркие, голубые и массивные звёзды начинают «выключаться» из главной последовательности (изогнутая линия на диаграмме цвет-размер внизу), и превращаться в гигантов и сверхгигантов.

Если найти эту точку выключения у скопления звёзд, сформировавшихся в одно и то же время, мы можем узнать – зная, как работают звёзды – возраст звёзд в скоплении. Посмотрев на самые старые шаровидные скопления, в которых меньше всего тяжёлых элементов, и выключения которых случаются с наименее массивными звёздами, мы обнаружим, что их возраст последовательно оказывается равным примерно 13,2 миллиарда лет, и не более того. (Но тут существует серьёзная погрешность в миллиард лет).

Звёзды возрастом в 12 миллиардов лет и менее встречаются очень часто, но звёзд возрастом в 14 миллиардов лет или более никто не видел, хотя в 1990-х частенько упоминали возраста в 14-16 миллиардов лет (улучшенное понимание звёзд и их эволюции уменьшило эти оценки).

Так что, у нас есть два метода – один из космической истории и один из измерения ближних звёзд – показывающих, что возраст нашей Вселенной находится между 13 и 14 миллиардами лет. Никто бы не удивился, если бы нам было 13,6 или 14,0 миллиардов лет, но нам с очень большой точностью не 13,0 или 15,0 миллиардов лет. Можно с уверенностью называть возраст в 13,8 миллиарда лет – и теперь вы знаете, почему!

Источник

Сколько лет Вселенной? Отвечает новое исследование

В настоящее время принято считать, что возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет, но точнее определить эти цифры не так-то просто. Необходимо выполнить несколько ключевых расчетов и сравнить их друг с другом. Из-за разных подходов к этим расчетам результат тоже может различаться, что вызывает сомнение в его точности.

Дата Большого взрыва, породившего Вселенную, ранее рассчитывалась математическим методом при помощи компьютерного моделирования с использованием оценки расстояния до самых старых звезд, поведения галактик и скорости расширения Вселенной.

Поскольку Вселенная расширяется с большой скоростью, то чем дальше объект находится, тем быстрее он удаляется от нас. Расстояние до объекта со скоростью его удаления связывает постоянная Хаббла — именно этот коэффициент и использовали в качестве ключевого фактора в новом исследовании для определения точного возраста Вселенной. Постоянная Хаббла названа так в честь Эдвина Хаббла, тезки космического телескопа Хаббла, который впервые рассчитал скорость расширения Вселенной в 1929 году.

Идея нового исследования, проведенного учеными из Университета Орегона, состояла в том, чтобы вычислить, сколько времени потребуется всем объектам, чтобы вернуться в начало. Для этого нужно определить, насколько быстро объекты удаляются от нас — тогда можно вычислить момент логического начала этого процесса, Большого взрыва.

Новое исследование утверждает, что Вселенная моложе почти на миллиард лет, а прежние расчеты были неточными

Исследователи из Университета Орегона нанесли на карту расстояния до десятков других галактик. Они использовали новый подход, перекалибровав инструмент для измерения расстояний, известный как барионное соотношение Талли-Фишера, которое не зависит от постоянной Хаббла. Они взяли расстояния до 50 галактик, частично определенные с помощью космического телескопа «Спитцер», и использовали их для оценки расстояний до 95 других галактик.

По словам авторов исследования, такой подход лучше учитывает кривые массы и вращения галактик, чем данные, которые ранее использовались для уравнений, определяющих начало Большого Взрыва. Таким образом ученые смогли более точно вычислить постоянную Хаббла и, соответственно, возраст Вселенной.

В результате астрономы установили постоянную Хаббла, равную 75,1 (км/с)/Мпк. Это означает, что галактика, удаленная от Земли на один мегапарсек (примерно 3,3 млн световых лет), удаляется от нас со скоростью 75,1 км каждую секунду.

На основе новых данных исследователи подсчитали, что возраст Вселенной составляет всего 12,6 млрд лет, что намного меньше общепринятой цифры 13,8 млрд лет. И новый результат существенно выходит за пределы приемлемой для прежних вычислений погрешности. Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal.

Что интересно, при этом исследования, основанные на измерении реликтового излучения, в результате определяют, что Вселенной все-таки около 13,8 млрд лет, а постоянная Хаббла равно примерно 67 км/с/Мпк. Но исследование команды из Орегона говорит, что все значения постоянной Хаббла ниже 70 могут быть исключены с 95-процентной вероятностью.

Источник

Возраст Вселенной

Во́зраст Вселе́нной — время, прошедшее с момента появления Вселенной (времени, материи, звезд, планет и т. п.). Согласно современным научным данным Вселенная появилась около 13,75 ± 0,11 млрд лет назад [1] .

Содержание

Современная наука

Современная оценка возраста Вселенной построена на основе одной из распространённых моделей Вселенной, так называемой стандартной космологической ΛCDM-модели. Так как уже в специальной теории относительности время зависит от движения наблюдателя, а в общей теории относительности — ещё и от его положения, то нужно уточнить, что понимается в таком случае под возрастом Вселенной. В современном представлении возраст Вселенной — это максимальное время, которое измерили бы часы с момента Большого взрыва до настоящего времени, попади они сейчас нам в руки. Эта оценка возраста Вселенной, как и другие космологические оценки, исходит из космологических моделей на основе определения постоянной Хаббла и других наблюдаемых параметров Метагалактики.

Некосмологическими методами возраст Вселенной можно определить по крайней мере тремя способами [2] :

• Возраст элементов — возраст химических элементов можно оценить, используя явление радиоактивного распада с тем, чтобы определить возраст определённой смеси изотопов.
• Возраст скоплений — возраст самых старых шаровых скоплений звёзд можно оценить, используя кривую в координатах светимость-температура для звёзд крупных шаровых скоплений. Этим методом было показано, что возраст Вселенной больше, чем 12,07 млрд лет, с 95%-й доверительной вероятностью.
• Возраст звёзд — возраст старейших звёзд белых карликов можно оценить, используя измерения яркости белых карликов. Более старые белые карлики будут более холодными и потому менее яркими. Обнаруживая слабые белые карлики, можно оценить продолжительность времени, в течение которого данный белый карлик охлаждался. Oswalt, Smith, Wood и Hintzen (1996, Nature, 382, 692) проделали это и получили возраст 9,5 +1,1 −0,8 млрд лет для звёзд основного диска Млечного пути. Они оценили возраст Вселенной по крайней мере на 2 млрд лет старше возраста диска, то есть больше 11,5 млрд лет.

Примечательно, что все эти оценки возраста Вселенной согласуются между собой. Также они все требуют ускоренного расширения Вселенной, иначе космологический возраст оказывается слишком малым.

Основные этапы развития Вселенной

Большое значение для определения возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация [3] :

• Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, это планковское время (10 −43 с 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.

Источник