По последним данным, Вселенной примерно 13,75 млрд лет. Но как ученые пришли к этому числу?
Специалисты по космологии могут определить возраст Вселенной, используя два различных метода: изучая самые старые объекты во Вселенной , и измеряя скорость ее расширения .
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.
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.
- 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.
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:
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.
Существует масса догадок касательно того, сколько лет Вселенной на данный момент. Со стопроцентной уверенностью на вопрос о её возрасте ответить сейчас невозможно. Да и вряд ли когда-нибудь удастся найти на него точный ответ. Но ученые проводили немало исследований и расчетов, так что сейчас эта тема имеет более-менее четкие очертания.
Определение
Перед тем как начать рассказ о том, сколько лет Вселенной, стоит оговориться: её возраст отсчитывается с того момента, когда она начала расширяться.
Для выяснения этих данных была создана ΛCDM-модель. Учёные утверждают, что она может предсказывать моменты начала различных эпох. Но ещё, сколько лет Вселенной, можно выяснить методом нахождения самых старых объектов, путем вычисления их возраста.
К тому же огромное значение играет периодизация. В наше время выделяют три эпохи, о которых известна определённая информация. Первая - самая ранняя. Её называют планковским временем (10 -43 с после происхождения Большого взрыва). Если верить ученым, то этот период длился до 10 -11 с. Следующая эпоха продолжалась до 10 -2 с. Она характеризуется появлением частиц кварков - это составляющая адронов, то есть элементарных частиц, участвующих в ядерных взаимодействиях.
И последняя эпоха - современная. Она началась через 0,01 секунды после Большого взрыва. И собственно говоря, современная эпоха длится по сию пору.
В целом, если верить современным данным, Вселенной сейчас 13,75 миллиарда лет. Допускается поправка (± 0,11 млрд).
Методы вычисления с учетом холодных звёзд
Существует ещё один способ выяснить, сколько лет Вселенной. И заключается он в мониторинге свечения так называемых белых карликов. Они представляют собой небесные тела очень высокой температуры довольно небольших размеров. Примерно величиной с Землю. Они представляют собой последнюю стадию существования любой звезды. За исключением тех, что отличаются гигантскими размерами. В звезда превращается после того, как всё её термоядерное топливо сжигается. До этого она ещё претерпевает некоторые катаклизмы. Например, на какое-то время становится красным гигантом.
И как можно выяснить, сколько лет Вселенной, при помощи белых карликов? Не сказать, что просто, но у учёных это получается. Карлики сжигают свой водород очень медленно, так что срок их жизни может достигать сотен миллионов лет. И всё это время они светятся благодаря скопившейся энергии. А параллельно остывают. И ученые, вычисляя темпы их охлаждения, определяют то количество времени, что необходимо звезде для снижения температуры от той, которая была изначальной (как правило, она составляет 150 000 К). Чтобы вычислить, сколько лет существует Вселенная, нужно обнаружить самые холодные белые карлики. На текущий момент удалось найти звезды с температурой в 4000 К. Ученые, изучив внимательно все данные с учетом этой информации, уверяют, что наша Вселенная не может быть старше 15 миллиардов лет.
Исследование шарообразных скоплений из звёзд
Стоит обратиться и к этому методу, рассказывая о том, сколько лет Вселенной, по мнению ученых. Данные скопления находятся в периферийной зоне Млечного Пути. И вращаются они около его ядра. А определение даты их формирования помогает выяснить нижнюю границу возраста нашей Вселенной.
Способ технически сложный. Однако в его сути заложена простейшая идея. Ведь все скопления появляются из одного облака. Так что возникают они, можно сказать, в одно время. А в течение определенного времени выжигают водород в некоторых количествах. Чем всё заканчивается? Появлением белого карлика или образованием нейтронной звезды.
Несколько лет тому назад исследования данного рода провели астронавты, использовавшие камеру ACS космического телескопа, известного как «Хаббл». Так по расчетам ученых, сколько лет Вселенной? Астронавты выяснили ответ, и он соответствует официальным данным. Возраст скоплений, которые они исследовали, составил в среднем 12,8 миллиарда лет. Самому «старшему» оказалось 13,4 млрд.
О космических ритмах
Вот, в целом, что удалось выяснить по расчетам ученых. Сколько лет Вселенной - точно знать нельзя, но ещё примерную информацию можно выяснить, обратив внимание на космические ритмы. Их изучение провел зонд Explorer 80 около 15 лет тому назад. Во внимание принимались температурные колебания и Если не вдаваться в подробности, то удалось выяснить, что нашей Вселенной, скорей всего, 13,5-14 миллиардов лет.
А вообще, всё может быть далеко не так, как мы предполагаем. Ведь космос - удивительно огромное и почти непознанное пространство. Но радует то, что его исследование активно продолжается.
Каков возраст нашей Вселенной? Этим вопросом озадачивалось не одно поколение астрономов и продолжат ломать голову ещё много лет, пока не будет разгадана тайна мироздания.
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»
Телескоп был запущен в активную работу еще в мае 2009 года для определения максимально точно возможного возраста нашей Вселенной. Функционал телескопа «Planck» был нацелен на длительный сеанс сканирования космического пространства, с целью составить наиболее объективную картину излучения всех возможных звездных объектов, полученных в результате так называемого Большого взрыва.
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
Ученые ЕКА опубликовали интересные материалы, в которых, на основе собранных «оком» телескопа «Planck» данных, удалось уточнить постоянную Хаббла. Оказывается, скорость расширения Вселенной равняется 67,15 километрам в секунду на один парсек. Чтобы было понятнее, один парсек – это космическое расстояние, которое можно преодолеть за 3,2616 наших световых лет. Для большей наглядности и восприятия, можно представить две галактики, которые отталкиваются друг от друга со скоростью около 67 км/с. Цифры по космическим масштабам мизерные, но, тем не менее, это установленный факт.Благодаря данным, собранным телескопом «Planck», удалось уточнить возраст Вселенной – это 13,798 миллиардов лет.
Изображение полученное на основе данных телескопа Planck
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 «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
Кроме космологических методов, узнать сколько Вселенной лет можно, например, по возрасту химических элементов. В этом поможет явление радиоактивного распада.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.
По современным данным, возникла 13-14 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва, наша Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, а возраст жизни оценивается в 3,8 миллиарда лет. Вместе с тем несколько сотен миллионов лет, остающихся на первичную эволюцию вещества, завершившуюся образованием первых живых организмов, явно недостаточно, тем более что, по некоторым данным, первые следы жизни возникли на нашей планете 4,2 миллиарда лет назад. Следовательно, либо жизнь обладает способностью к стремительному (разумеется, в геологических масштабах) самозарождению, либо Вселенная и наша Земля много старше, чем мы думаем. Но как тогда примирить этот вывод с космологией?
Ключом к решению этой проблемы может служить гипотеза, высказанная еще в 1917 году Эйнштейном. Находясь в плену предвзятой идеи о неизменности (и, следовательно, вечности) Вселенной, он ввел в уравнение теории относительности, описывающее поведение мира в целом, член, получивший название космологической постоянной. Эта постоянная учитывала существование во Вселенной сил отталкивания, уравновешивающих силы тяготения и препятствующих изменению расстояний между галактиками. После работ А.А. Фридмана (1922-1924 гг.), доказавшего, что вещество Вселенной не может находиться в покое, и открытия Э. Хабблом красного смещения (1929 г.) необходимость в космологической постоянной отпала. Но как показал последующий строгий анализ, в уравнения на правах постоянной интегрирования и ее равенство нулю само еще требует доказательств на основе результатов наблюдений. А последние говорят лишь о том, что космологическая постоянная не превышает 2*10^-55 см^-2, и поэтому нельзя считать абсолютно бесспорным отсутствие сил отталкивания. В результате космологическая постоянная время от времени привлекается при обсуждении новых фактов, плохо укладывающихся в стандартную теорию Большого взрыва. В нашем же случае существенно, что возможное существование сил отталкивания способно значительно увеличить оценки времени существования Вселенной и, таким образом, вывести биологическую эволюцию из цейтнота.
Сегодня возраст Вселенной
определяют, экстраполируя наблюдаемый разлет , скорость которого определена по красному смещению, в прошлое (см. рисунок): время, необходимое галактикам для того, чтобы соединиться в одной точке, как раз и считается возрастом Вселенной. Но если силы отталкивания существуют, то картина расширения Вселенной будет иной.
В начале этого процесса, когда плотность вещества значительна, силы тяготения тормозят расширение. Затем, с понижением плотности вещества, силы тяготения сравниваются с силами отталкивания, в результате чего расширение задерживается – наступает так называемая квазистатическая фаза, выражаемая на графике горизонтальной прямой, которая может продолжаться 100-200 миллиардов лет. Наконец, рано или поздно равновесие нарушается, верх берут силы отталкивания, и Вселенная начинает расширяться ускоренно.
Таким образом, отличие космологической постоянной от нуля может примирить космологию с биологией: огромная продолжительность квазистатической фазы как раз и позволяет объяснить возможность превращения неживого вещества в живое
. И наоборот: само существование жизни может расцениваться как аргумент в пользу того, что космологическая постоянная не равна нулю и в природе существуют силы отталкивания, столь же фундаментальные, сколь и силы всемирного тяготения.
