Мы уверенно заявляем, что известно, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, с погрешностью всего 1%. Вот откуда мы знаем.
Ключевые выводы
- После более чем столетия споров о возрасте Вселенной, включая период в несколько десятилетий, когда многие утверждали, что Вселенная бесконечно стара, мы наконец-то узнали ее возраст: 13,8 миллиарда лет.
- Есть ряд возражений против этого утверждения: от тех, кто утверждает, что неопределенность расширяющейся Вселенной может изменить ее возраст, до тех, кто утверждает, что нашел звезды старше Вселенной.
- И тем не менее, несмотря на эти возражения, мы можем с уверенностью заявить, что Вселенной действительно 13,8 миллиарда лет, с погрешностью всего в 1% от этой цифры. Вот как.
Сколько лет Вселенной? Из поколения в поколение люди спорили о том, всегда ли существовала Вселенная, было ли у нее начало или же она циклична: не имеет ни начала, ни конца. Но, начиная с 20-го и продолжаясь в 21-м веке, мы не только сделали научный вывод по этому вопросу - Вселенная (как мы ее понимаем) началась с горячего Большого Взрыва , но и смогли точно определить, когда это начало произошло.
Теперь мы с уверенностью заявляем, что Вселенной 13,8 миллиарда лет. Но насколько мы можем быть уверены в этом ответе? Вот что хочет знать Адимчи Оньенадум, спрашивая:
«Как мы пришли к выводу, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиарда лет?»
Это очень смелое утверждение, но в нем астрономы уверены больше, чем вы можете себе представить. Вот как мы это сделали.
Рассеянное звездное скопление NGC 290, полученное Хабблом. Эти звезды, изображенные здесь, могут иметь свойства, элементы и планеты (и потенциально шансы на жизнь) только потому, что все звезды умерли до их создания. Это относительно молодое рассеянное скопление, о чем свидетельствуют массивные яркие голубые звезды, которые доминируют в его внешнем виде. Однако рассеянные звездные скопления никогда не живут так долго, как возраст Вселенной.
Самый простой и прямой способ измерить возраст Вселенной - просто посмотреть на находящиеся в ней объекты: например, на звезды. У нас есть сотни миллиардов звезд только в галактике Млечный Путь, и подавляющая часть древней истории астрономии была посвящена изучению и характеристике звезд. Сегодня это остается активной областью исследований, поскольку астрономы обнаружили взаимосвязь между наблюдаемыми свойствами звездного населения и их возрастом.
Основная картина такова:
- облако холодного газа схлопывается под действием собственной силы тяжести,
- приводит к одновременному образованию большого количества новых звезд,
- которые бывают разной массы, цвета и яркости,
- и самые большие, голубые и яркие звезды первыми сжигают свое топливо.
Поэтому, когда мы смотрим на популяцию звезд, мы можем сказать, сколько ей лет, глядя на то, какие типы звезд все еще остаются, а какие классы звезд полностью исчезли.
Жизненные циклы звезд можно понять в контексте показанной здесь диаграммы цвет/величина. По мере старения популяции звезд они «выключают» диаграмму, позволяя нам определить возраст рассматриваемого скопления. Самые старые шаровые звездные скопления, такие как очень старое скопление, показанное справа, имеют возраст более 13 миллиардов лет, но многие шаровые скопления также имеют вторую, более молодую популяцию звезд наряду со старой.
В нашей галактике есть звезды самого разного возраста, но измерения каждой отдельной звезды будут полны неопределенностей. Причина проста: когда мы наблюдаем за отдельной звездой, мы видим ее такой, какая она есть сегодня. Мы не можем видеть или знать что произошло в прошлой истории этой звезды, что могло привести к ее нынешнему состоянию. Мы можем только просмотреть текущий моментальный снимок того, что существует, и должны сделать вывод об остальном.
Вы часто будете видеть попытки измерить возраст отдельной звезды, но это всегда сопровождается предположением, что у звезды не было взаимодействия, слияния или другого насильственного события в его прошлое. Из-за этой возможности и того факта, что мы видим только выживших, когда смотрим на Вселенную сегодня, эти эпохи всегда сопровождаются огромной неопределенностью: порядка миллиарда лет или даже больше.
Это оцифрованное изображение самой старой звезды с четко определенным возрастом в нашей галактике. Стареющая звезда, внесенная в каталог как HD 140283, находится на расстоянии более 190 световых лет от нас. Космический телескоп НАСА/ЕКА «Хаббл» использовался для уменьшения погрешности измерения расстояния до звезды, и это помогло уточнить расчет более точного возраста в 14,5 миллиардов лет (плюс-минус 800 миллионов лет). Это можно примирить со Вселенной, которой 13,8 миллиардов лет (в пределах неточностей), но не со Вселенной, которой всего 12,5 миллиардов лет.
Однако неопределенности намного меньше, когда мы смотрим на большие коллекции звезд. Коллекции звезд, которые формируются в галактике, такой как Млечный Путь, - «рассеянные звездные скопления», - обычно содержат несколько тысяч звезд и существуют всего несколько сотен миллионов лет. Гравитационные взаимодействия между этими звездами в конечном итоге заставляют их разлетаться. В то время как небольшой процент существует миллиард лет или даже несколько миллиардов лет, у нас нет известных рассеянных звездных скоплений, которые были бы столь же стары, как наша собственная Солнечная система.
Шаровые скопления, однако, крупнее, массивнее и более изолированы и встречаются по всему гало Млечного Пути (и в большинстве крупных галактик). Наблюдая за ними, мы можем измерить цвета и яркость многих звезд внутри, что позволяет нам, пока мы понимаем, как звезды работают и развиваются, определить возраст этих звездных скоплений. Хотя здесь тоже есть неопределенности, существует большая популяция шаровых скоплений, даже в пределах Млечного Пути, с возрастом 12 миллиардов лет и более.
Шаровое скопление Мессье 69 очень необычно тем, что оно невероятно старое, с признаками того, что оно образовалось всего на 5% от нынешнего возраста Вселенной (около 13 миллиардов лет назад), но также имеет очень высокое содержание металлов. содержание, на 22% металличность нашего Солнца. Более яркие звезды находятся в фазе красных гигантов, у них только что закончилось топливо ядра, а несколько голубых звезд образовались в результате слияния: голубые отставшие звезды.
Насколько мы уверены в этих цифрах? Трудно сказать. Хотя почти гарантировано, что старейшее из этих звездных скоплений должно иметь возраст от 12,5 до 13 миллиардов лет, остается большая неопределенность в отношении количества времени, необходимого звезде с массой нашего Солнца, чтобы начать свой переход в субгигант, а затем превращением в полноценную красную гигантскую звезду. Это может быть 10 миллиардов лет; это может быть 12 миллиардов лет; это может быть какое-то значение между ними. В течение многих лет многие астрономы, работавшие над шаровыми скоплениями, утверждали, что самым старым из них было 14, а может быть, даже 16 миллиардов лет, но сдвиг в нашем понимании звездной эволюции теперь противоречит такой интерпретации данных.
Сегодня мы можем с уверенностью заключить, что существует нижний предел возраста Вселенной в пределах от 12,5 до 13 миллиардов лет по звездам, которые мы измеряем, но это не точно определяет возраст. Это хорошее ограничение, но чтобы получить реальную цифру, нам нужен метод получше.
К счастью, Вселенная дает нам его. Видите ли, общая теория относительности Эйнштейна для Вселенной, заполненной (примерно) одинаковым количеством материи и энергии везде и во всех направлениях (как наша), дает прямое соотношение между двумя величинами:
- количество и типы материи и энергии, присутствующие во Вселенной,
- и как быстро расширяется Вселенная сегодня.
Фотография Итана Сигела у гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году вместе с первым уравнением Фридмана справа. Первое уравнение Фридмана детализирует квадрат скорости расширения Хаббла в левой части, который управляет эволюцией пространства-времени. Правая часть включает в себя все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну (в конечном итоге), которая определяет, как Вселенная будет развиваться в будущем. Это уравнение было названо самым важным уравнением во всей космологии, и оно было выведено Фридманом в его современной форме еще в 1922 году.
Это соотношение было впервые выведено еще в 1922 году Александром Фридманом, и уравнения, которые позволяют нам определить возраст Вселенной, известны как уравнения Фридмана. Нам потребовалось много лет, чтобы измерить составляющие Вселенной, но сложилась единая картина.
Наблюдения, варьирующиеся от содержаний легких элементов до скоплений галактик, от столкновения скоплений галактик до далеких сверхновых и до флуктуаций космического микроволнового фона, все указывают на одну и ту же Вселенную. В частности, он состоит из:
- 68% темной энергии,
- 27% темной материи,
- 4,9% нормального вещества (протоны, нейтроны и электроны),
- 0,1% нейтрино,
- 0,01% фотонов (частиц света или излучения),
- и менее 0,4% всего остального, включая кривизну пространства, космические струны, доменные стены и другие причудливые, экзотические компоненты.
Флуктуации данных поляризации Е-моды, наблюдаемые на Космическом Микроволновом Фоне, особенно в малых угловых масштабах, кодируют огромное количество информации о содержании и истории Вселенной. Здесь показаны колебания большой области неба, построенные на основе данных, полученных космологическим телескопом Атакама. Это лучший набор данных CMB в малых угловых масштабах из когда-либо полученных.
Эта картина согласуется с полным набором наблюдений, которые у нас есть; вам нужно очень тщательно отбирать доказательства , чрезмерно подчеркивая измерения с большой неопределенностью, одновременно игнорируя большие наборы данных , чтобы получить наборы значений, которые значительно отличаются от этого.
Итак, вы можете подумать, что все зависит от скорости расширения. Если вы можете точно измерить это, вы можете просто произвести математику и точно определить возраст Вселенной. С начала 2000-х годов и с тех пор лучшие данные, которые у нас есть, поступают из космического микроволнового фона: сначала из WMAP, затем из Planck, а по состоянию на 14 июля 2020 года также из космологического телескопа Атакама.
Все эти значения сошлись на одной и той же скорости расширения: 68 км/с/Мпк, с погрешностью всего 1-2%. Когда вы подсчитаете, что это означает для возраста Вселенной, вы получите очень надежные 13,8 миллиарда лет, что полностью согласуется со всем, что мы знаем о звездах.
Ряд различных групп, стремящихся измерить скорость расширения Вселенной, вместе с их результатами, отмеченными цветом. Обратите внимание на большое расхождение между ранними (два верхних) и поздними (другие) результатами, при этом планки погрешностей намного больше для каждого из поздних вариантов. Единственное значение, которое подверглось критике, - это значение CCHP, которое было повторно проанализировано и оказалось, что его значение ближе к 72 км / с / Мпк, чем к 69,8 км / с / Мпк. Это напряжение между ранними и поздними измерениями сильнее, чем когда-либо.
Но подождите секунду. Возможно, вы слышали - и правильно , что по этому поводу есть разногласия. В то время как команды, использующие Космический микроволновый фон, могут получить одно значение скорости расширения, а команды, измеряющие крупномасштабную структуру Вселенной, могут прийти к согласию, другие методы дают совершенно разные значения. Другие методы вместо того, чтобы начинать с раннего, импринтированного сигнала и измерять, как он проявляется сегодня, начинают с близкого расстояния и работают вовне. Они измеряют расстояния и кажущуюся скорость удаления различных объектов: метод, широко известный как лестница космических расстояний.
Когда вы смотрите на измерения с помощью лестницы расстояний, все они, кажется, дают систематически более высокие значения: между 72 и 76 км/с/Мпк: в среднем примерно на 9% выше, чем значение, которое вы получаете из Космический микроволновый фон.
Тогда вы можете подумать, что кто-то прав, а кто-то нет. Если команда лестницы расстояний верна, а команда Космического микроволнового фона нет, то, возможно, Вселенная на 9% моложе, чем мы думаем: всего 12,8 миллиарда лет.
На этом графике показано, какие значения постоянной Хаббла (слева, ось Y) лучше всего соответствуют данным космического микроволнового фона от ACT, ACT + WMAP и Planck. Обратите внимание, что более высокая постоянная Хаббла допустима, но только за счет наличия во Вселенной большего количества темной энергии и меньшего количества темной материи.
Но на практике это не так. Данные космического микроволнового фона нельзя просто игнорировать; это то, с чем нужно считаться. Пики, впадины и колебания, которые мы наблюдаем в его температурных колебаниях, являются отражением всех этих различных параметров вместе взятых. Конечно, наиболее подходящие значения даны для Вселенной, расширяющейся со скоростью 68 км/с/Мпк, с 68 % темной энергии, 27 % темной материи и 5 % нормальной материи, но их можно варьировать, пока они все меняются вместе..
Хотя это не совсем соответствует данным, вы можете увеличить скорость расширения, скажем, до 74 км/с/Мпк и получить очень хорошее соответствие, пока вы желающие изменить относительные доли темной материи и темной энергии. С немного меньшим количеством темной материи (20%) и немного большей темной энергией (75%), значительно более высокая скорость расширения все еще может хорошо соответствовать данным, хотя и не совсем так, как консенсусные значения.
Что удивительно, так это то, что полученный возраст практически не меняется; если вы исследуете весь диапазон того, что разрешено и что запрещено, эта цифра в 13,8 миллиарда лет будет сопровождаться неопределенностью около 1%: между 13,67 и 13,95 миллиардами лет.
Разница между наилучшим соответствием данным ACT (мелкомасштабные) плюс данные WMAP (крупномасштабные) космического микроволнового фона и наилучшим соответствием набору параметров, которые заставляют постоянную Хаббла более высокое значение. Обратите внимание, что последнее приближение имеет немного худшие невязки, но оба они довольно хороши и дают почти одинаковый возраст Вселенной.
Это правда, что во Вселенной еще много нераскрытых тайн. Мы не знаем, как быстро расширяется Вселенная, и не знаем, почему разные методы измерения скорости расширения дают такие совершенно разные результаты. Мы не знаем, что такое темная материя или темная энергия, и является ли общая теория относительности, из которой все это выведено, все еще применимой в самых больших космических масштабах. Мы даже не знаем точно, какая часть Вселенной заключена в какой форме энергии: в ней может быть больше темной материи и меньше темной энергии, чем мы думаем, или наоборот; неопределенности значительны.
Но мы знаем, что все имеющиеся у нас данные согласуются с одним конкретным возрастом Вселенной: 13,8 миллиарда лет, с погрешностью всего 1% от этого значения. Она не может быть на миллиард лет старше или моложе этой цифры, если только множество вещей, которые мы измерили, не привели нас к совершенно неверным выводам. Если космос нам не лжет или мы невольно обманываем себя, то то, что мы знаем как горячий Большой взрыв, произошло между 13,67 и 13,95 миллиарда лет назад: не меньше и не больше. Не верьте утверждениям об обратном, не сравнив их с полным набором данных!
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!