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.
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.
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.
- 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.
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.
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.
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.
Источник
Сколько лет Вселенной
Люди с древних времен интересовались возрастом Вселенной. И хотя у нее нельзя спросить паспорт, чтобы посмотреть дату рождения, современная наука смогла ответить на этот вопрос. Правда, лишь совсем недавно.
Мудрецы Вавилона и Греции считали мироздание вечным и неизменным, а индуистские хронисты в 150 году до н.э. определили, что ему в точности 1 972 949 091 год (кстати, по порядку величины они не сильно ошиблись!). В 1642 году английский теолог Джон Лайтфут путем скрупулезного анализа библейских текстов вычислил, что сотворение мира пришлось на 3929 год до н.э.; спустя несколько лет ирландский епископ Джеймс Ашер передвинул его на 4004 год. Основатели современной науки Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон тоже не прошли мимо этой темы. Хотя они апеллировали не только к Библии, но и к астрономии, их результаты оказались похожими на вычисления богословов — 3993 и 3988 годы до н.э. В наше просвещенное время возраст Вселенной определяют иными способами. Чтобы увидеть их в исторической проекции, поначалу взглянем на собственную планету и ее космическое окружение.
Гадание по камням
Со второй половины XVIII века ученые начали оценивать возраст Земли и Солнца на основе физических моделей. Так, в 1787 году французский натуралист Жорж-Луи Леклерк пришел к выводу, что, если бы наша планета при рождении была шаром из расплавленного железа, ей нужно было бы от 75 до 168 тысяч лет, чтобы остыть до нынешней температуры. Через 108 лет ирландский математик и инженер Джон Перри заново просчитал тепловую историю Земли и определил ее возраст в 2−3 млрд лет. В самом начале XX столетия лорд Кельвин пришел к выводу, что если Солнце постепенно сжимается и светит исключительно за счет высвобождения гравитационной энергии, то его возраст (и, следовательно, максимальный возраст Земли и остальных планет) может составить несколько сотен миллионов лет. Но в то время геологи не смогли ни подтвердить, ни опровергнуть эти оценки из-за отсутствия надежных методов геохронологии.
В середине первого десятилетия ХХ века Эрнест Резерфорд и американский химик Бертрам Болтвуд разработали основы радиометрической датировки земных пород, которая показала, что Перри был много ближе к истине. В 1920-х были найдены образцы минералов, чей радиометрический возраст приближался к 2 млрд лет. Позднее геологи не раз повышали эту величину, и к настоящему времени она выросла более чем вдвое — до 4,4 млрд. Дополнительные данные предоставляет исследование «небесных камней» — метеоритов. Почти все радиометрические оценки их возраста укладываются в интервал 4,4−4,6 млрд лет.
Современная гелиосейсмология позволяет непосредственно определить и возраст Солнца, который, по последним данным, составляет 4,56 — 4,58 млрд лет. Поскольку продолжительность гравитационной конденсации протосолнечного облака исчислялась всего лишь миллионами лет, можно уверенно утверждать, что от начала этого процесса до наших дней прошло не более 4,6 млрд лет. При этом солнечное вещество содержит множество элементов тяжелее гелия, которые образовались в термоядерных топках массивных звезд прежних поколений, выгоревших и взорвавшихся сверхновыми. Это означает, что протяженность существования Вселенной сильно превышает возраст Солнечной системы. Чтобы определить меру этого превышения, нужно выйти сначала в нашу Галактику, а затем и за ее пределы.
Следуя за белыми карликами
Время жизни нашей Галактики можно определять разными способами, но мы ограничимся двумя самыми надежными. Первый метод основан на мониторинге свечения белых карликов. Эти компактные (примерно с Землю величиной) и изначально очень горячие небесные тела представляют собой конечную стадию жизни практически всех звезд за исключением самых массивных. Для превращения в белый карлик звезда должна полностью сжечь все свое термоядерное топливо и претерпеть несколько катаклизмов — например, на какое-то время стать красным гигантом.
Природные часы
Согласно радиометрической датировке, самыми старыми породами на Земле сейчас считаются серые гнейсы побережья Большого Невольничьего озера на северо-западе Канады — их возраст определен в 4,03 миллиарда лет. Еще раньше (4,4 миллиарда лет назад) кристаллизовались мельчайшие зерна минерала циркона, природного силиката циркония, найденные в гнейсах на западе Австралии. А раз в те времена уже существовала земная кора, наша планета должна быть несколько старше.
Что касается метеоритов, наиболее точную информацию дает датировка кальциево-алюминиевых вкраплений в веществе каменноугольных хондритовых метеоритов, которое практически не изменилось после его формирования из газо-пылевого облака, окружавшего новорожденное Солнце. Радиометрический возраст подобных структур в метеорите Ефремовка, найденном в 1962 году в Павлодарской области Казахстана, составляет 4 миллиарда 567 миллионов лет.
Типичный белый карлик почти полностью состоит из ионов углерода и кислорода, погруженных в вырожденный электронный газ, и имеет тонкую атмосферу, в составе которой доминируют водород или гелий. Его поверхностная температура составляет от 8 000 до 40 000 К, в то время как центральная зона нагрета до миллионов и даже десятков миллионов градусов. Согласно теоретическим моделям, могут также рождаться карлики, состоящие преимущественно из кислорода, неона и магния (в которые при определенных условиях превращаются звезды с массой от 8 до 10,5 или даже до 12 солнечных масс), однако их существование еще не доказано. Теория также утверждает, что звезды, как минимум вдвое уступающие Солнцу по массе, заканчивают жизнь в виде гелиевых белых карликов. Такие звезды очень многочисленны, однако они сжигают водород крайне медленно и посему живут многие десятки и сотни миллионов лет. Пока что им просто не хватило времени, чтоб исчерпать водородное горючее (очень немногочисленные гелиевые карлики, обнаруженные к настоящему времени, обитают в двойных системах и возникли совсем другим путем).
Коль скоро белый карлик не может поддерживать реакции термоядерного синтеза, он светит за счет накопленной энергии и потому медленно остывает. Темпы этого охлаждения можно вычислить и на этой основе определить время, потребное для снижения температуры поверхности от первоначальной (для типичного карлика это примерно 150 000 К) до наблюдаемой. Поскольку нас интересует возраст Галактики, следует искать самые долгоживущие, а потому и самые холодные белые карлики. Современные телескопы позволяют обнаружить внутригалактические карлики с температурой поверхности менее 4000 К, светимость которых в 30 000 раз уступает солнечной. Пока они не найдены — либо их нет вообще, либо очень мало. Отсюда следует, что наша Галактика не может быть старше 15 млрд лет, иначе они бы присутствовали в заметных количествах.
Это верхняя граница возраста. А что можно сказать о нижней? Самые холодные из ныне известных белых карликов были зарегистрированы космическим телескопом «Хаббл» в 2002 и 2007 годах. Вычисления показали, что их возраст составляет 11,5 — 12 млрд лет. К этому еще нужно добавить возраст звезд-предшественниц (от полумиллиарда до миллиарда лет). Отсюда следует, что Млечный Путь никак не моложе 13 млрд лет. Так что окончательная оценка его возраста, полученная на основе наблюдения белых карликов, — примерно 13 — 15 млрд лет.
Источник
Как люди узнали сколько Вселенной лет? Рассказываю за пару минут.
Прошли тысячи лет, прежде чем люди научились оценивать возраст Вселенной на основе научных исследований.
Измерение расстояния до различных галактик и скорости, с которой они удаляются друг от друга по мере расширения Вселенной, является одним из способов оценки возраста космоса.
Набрав сегодня в поисковой строке интернета вопрос: «Сколько лет Вселенной?». Мы за миллисекунды узнаем ответ, который долго искали многие мыслители человечества: Вселенной почти 14 миллиардов лет, а если быть точными — 13,8 миллиарда лет. Большинство учёных, исследующих космос, с этой цифрой согласны.
В конце декабря 2020 года исследователями, работающими на космологическом телескопе Атакама (ACT) в Чили , была опубликована уточнённая оценка возраста Вселенной — 13,77 миллиарда лет, плюс или минус несколько десятков миллионов лет. Эта оценка возраста совпадает с аналогичными данными наблюдений европейского спутника миссии Planck в период с 2009 по 2013 год.
Точные наблюдения ACT и Planck появились спустя более чем тысячелетия наблюдений людей за небом и размышлений о том, откуда всё могло появиться.
Каким же образом люди, с продолжительностью жизни менее века, получили представление о событиях, которые происходили до того, как их планета существовала?
Давайте проследим, как человечество пришло к пониманию возраста Вселенной.
Античность: Начало осмысления
В каждой культуре есть миф о сотворении мира. Вавилоняне, например, верили, что небо и Земля высечены из тела убитого Бога. Но лишь немногие системы верований указывают, когда началось существование (исключение составляет индуизм, который учит, что Вселенная меняется каждые 4,3 миллиарда лет, что не так уж далеко от фактического возраста Земли).
Главенствующая идея , застопорившая на западе развитие мысли о понимании вселенной, исходила от греческих философов и была в какой-то мере научным шагом назад.
В четвертом и третьем веках до нашей эры Платон, Аристотель и другие философы исходили из того, что планеты и звезды заключены в вечно вращающиеся небесные сферы.
В течение следующего тысячелетия или около того мало кто ожидал, что Вселенная вообще будет иметь возраст.
1600 — 1900 г.г.: Конец бесконечности
В 1610 году астроном Иоганнес Кеплер понял, что одна из главных не стыковок в популярной греческой космологии все это время была перед глазами звездочётов. Наблюдая за ночным небом, он задумался: если вечная Вселенная содержит бесконечное количество звезд, как многие привыкли считать, почему все эти звезды не наполняют вселенную ослепительным светом? Темное ночное небо, рассуждал он, наводит на мысль о конечном космосе, где звезды в конце концов исчезают.
Столкновение между ночным небом и бесконечной Вселенной стало известно как парадокс Ольбера, названный в честь Генриха Ольбера, астронома, который популяризировал его в 1826 году.
Ранняя версия современного решения бесконечной Вселенной пришла, прежде всего, от писателя Эдгара Аллана По.
Мы переживаем ночь — размышлял он в своей прозаической поэме «Эврика» в 1848 году, потому что Вселенная не вечна, она имеет начало, и с тех пор как она появилась, прошло слишком мало времени, чтобы звезды полностью осветили небо.
1900-е годы: Появляются современные и ранние вселенные
На разгадку парадокса Ольбера ушло некоторое время. Когда в 1917 году теория гравитации Эйнштейна подсказала ему, что Вселенная, вероятно, росла или сжималась с течением времени, он добавил в свои уравнения фактор выдумки — космологическую постоянную, чтобы Вселенная оставалась неподвижной (позволяя ей существовать вечно).
Тем временем, более крупные телескопы дали астрономам более чёткое представление о других галактиках. Но, в свою очередь, эти наблюдения вызвали ожесточенные споры о том, смотрят ли астрономы на далекие “островные вселенные” или на близлежащие звёздные скопления внутри Млечного Пути.
Острый взгляд Эдвина Хаббла разрешил этот спор в конце 1920-х годов. Он впервые измерил межгалактические расстояния и обнаружил, что галактики не только огромны и далеки друг от друга, но и удаляются друг от друга.
Вселенная расширялась, и Хаббл установил скорость ее расширения в 500 километров в секунду на мегапарсек, константу, которая теперь носит его имя. С пониманием расширения Вселенной астрономы получили мощный новый инструмент, чтобы оглянуться назад во времени и оценить, когда космос начал расти. Работа Хаббла в 1929 году показала, что Вселенная расширяется таким образом, что ей должно быть примерно 2 миллиарда лет.
«Скорость расширения говорит, как быстро можно перемотать историю Вселенной назад» — говорит Дэниел Скольник, космолог из Университета Дьюка.
Но измерение расстояний до далеких галактик — не всегда даёт точный результат. Более точный метод появился в 1965 году, когда исследователи обнаружили слабое потрескивание микроволн, идущих со всех сторон в космосе. Космологи уже предсказывали, что такой сигнал должен существовать, поскольку свет, испущенный всего через сотни тысяч лет после рождения Вселенной, был бы растянут расширением пространства на более длинные микроволны.
Измеряя характеристики этого космического микроволнового фона (CMB), астрономы могли бы сделать своего рода снимок молодой Вселенной, рассчитав ее ранние размеры и содержание. CMB послужил неопровержимым доказательством того, что космос имел начало.
” Самое важное, что было достигнуто в результате окончательного открытия [CMB] в 1965 году, — это заставить нас всех серьёзно отнестись к идее о существовании ранней Вселенной», — писал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг в своей книге 1977 года «первые три минуты».
Источник