Сколько лет Вселенной?
Как известно, уже в 1929 году космологами из Северной Америки было установлено, что Вселенная растет в своих объемах. Или говоря астрономическим языком, имеет постоянное расширение. Автором метрического расширения Вселенной является американец Эдвин Хаббл, который вывел постоянную величину, характеризующую неуклонное увеличение космического пространства.
Так сколько же Вселенной лет? Еще десять лет назад считалось, что её возраст находится в пределах 13,8 миллиардов лет. Эта оценка была получена, исходя из космологической модели, в основе которой лежит постоянная Хаббла. Однако на сегодняшний день получен более точный ответ о возрасте Вселенной, благодаря кропотливой работе сотрудников обсерватории ЕКА (Европейское Космическое Агентство) и передовому телескопу «Planck».
Сканирование космического пространства телескопом «Planck»
Длительный процесс сканирования проводился в два этапа. В 2010 году были получены предварительные результаты исследований, а уже в 2013 году подвели окончательный итог исследования космического пространства, который дал ряд весьма любопытных результатов.
Итог исследовательской работы ЕКА
Благодаря данным, собранным телескопом «Planck», удалось уточнить возраст Вселенной – это 13,798 миллиардов лет.
Данная исследовательская работа ЕКА привела к уточнению содержания во Вселенной массовой доли не только «обычной» физической материи, которая равняется 4,9 %, но и темной материи, равной теперь 26,8 %.
Попутно телескоп «Planck» выявил и подтвердил существование в далеком космическом пространстве так называемого холодного пятна, обладающего супер низкой температурой, которому пока нет внятных научных объяснений.
Другие способы оценки возраста Вселенной
Ещё одним из способов является оценка возраста звезд. Оценив яркость старейших звезд — белых карликов, группа ученых в 1996 году получила результат: возраст Вселенной не может быть меньше 11,5 миллиардов лет. Это подтверждает данные о возрасте Вселенной, полученные на основе уточненной постоянной Хаббла.
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
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