А есть самостоятельные способы проверки?
«Молодость - это дар природы, а возраст - произведение искусства». - Станислав Ежи Лец
Каждую неделю в Starts With A Bang мы освещаем множество тем о чудесах Вселенной. У вас есть возможность присылать свои вопросы и предложения для нашей еженедельной колонки «Спросите Итана», и в конце я выбираю один из них, чтобы выделить, продемонстрировать и ответить. На вопрос этой недели ответит не только Итан, но и один из них: Итан Барбур, который хочет узнать о возрасте Вселенной:
У меня есть вопрос по астрономии, и в основном он заключается в следующем: сколько независимых способов мы можем измерить возраст Вселенной?
Я хотел бы сказать вам, что существует множество различных линий доказательств, указывающих на наш возраст в 13,8 миллиардов лет, подобно тому, как существует так много независимых доказательств, указывающих на темную материю. Но на самом деле хороших всего два, и один лучше другого.
«Хороший» - это подумать о том факте, что наша Вселенная сегодня расширяется и остывает, и признать, что поэтому в прошлом она была горячее и плотнее. Если мы вернемся назад, в более ранние и более ранние времена, мы обнаружим, что по мере того, как объем Вселенной был меньше, вся материя в ней была не только ближе друг к другу, но и что длины волн всех отдельных фотонов (частиц света) в нем были короче, так как расширение Вселенной сделало их такими же длинными, как сегодня.
Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, фотон с более короткой длиной волны более энергичен и имеет более высокую температуру. По мере того, как мы возвращаемся все дальше и дальше во времени, температура все выше и выше, пока в какой-то момент мы не достигнем самых ранних стадий горячего Большого взрыва.
Это важно: существует «самая ранняя стадия» горячего Большого Взрыва!
Если бы мы экстраполировали «бесконечно» далеко назад, мы бы достигли сингулярности, где физика ломается. С нашим современным пониманием очень ранней Вселенной мы знаем, что инфляционное состояние предшествовало горячему, плотному Большому Взрыву, и это инфляционное состояние было неопределенной продолжительности.
Поэтому, когда мы говорим о «возрасте Вселенной», мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, как Вселенную впервые можно было описать горячим Большим Взрывом, до настоящего времени.
По законам общей теории относительности, если у вас есть Вселенная, подобная нашей, а именно:
- равномерной плотности в самых крупных масштабах,
- , который имеет одни и те же законы и общие свойства во всех местах,
- который одинаков во всех направлениях, и
- , в котором Большой взрыв произошел во всех местах и везде одновременно,
тогда существует уникальная связь между сколько лет Вселенной и тем, как она расширялась по всему история.
Другими словами, если мы сможем измерить, как Вселенная расширяется сегодня и как она расширялась на протяжении всей своей истории, мы можем точно знать, из каких компонентов она состоит. Мы узнаем об этом из целого ряда наблюдений, в том числе:
Из прямых измерений яркости и расстояний до объектов во Вселенной, таких как звезды, галактики и сверхновые звезды, что позволяет нам построить лестницу космических расстояний
Из измерений крупномасштабной структуры, скопления галактик и барионных акустических колебаний
И по флуктуациям космического микроволнового фона «моментальный снимок» Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет
Соедините все эти вещи вместе, и вы получите Вселенную, которая сегодня состоит из 68% темной энергии, 27% темной материи, 4,9% нормальной материи, примерно 0,1% нейтрино, примерно 0,01% радиации, и больше ничего.
Но вы добавляете, как Вселенная расширяется сегодня, и мы можем экстраполировать это назад во времени, и узнать всю историю расширения Вселенной, и, следовательно, ее возраст.
Число, которое мы получаем - наиболее точно от Планка, но дополненное из других источников, таких как измерения сверхновых, ключевой проект HST и Sloan Digital Sky Survey - , состоит в том, что Вселенная № 13.81 миллиард лет, с погрешностью всего 120 миллионов лет. Это означает, что мы уверены в возрасте Вселенной с точностью до 99,1%, что является удивительным достижением!
Да, у нас есть ряд различных наборов данных, которые указывают на этот вывод, но на самом деле это один и тот же метод. Нам просто повезло, что существует непротиворечивая картина, на которую все они указывают, но на самом деле любого из ограничений самих по себе недостаточно, чтобы сказать: «Вселенная именно такая». Вместо этого все они предлагают множество возможностей, и только их пересечение говорит нам, где мы живем.
Если бы Вселенная обладала такими же нынешними свойствами, но состояла бы на 100 % из нормальной материи и не содержала темной материи или темной энергии, нашей Вселенной было бы всего 10 миллиардов лет. Если бы Вселенная состояла из 5% нормальной материи (без темной материи или темной энергии) и постоянная Хаббла была бы 50 км/с/Мпк вместо 70 км/с/Мпк, наша Вселенная была бы колоссальные 16 миллиардов лет Однако, учитывая те комбинации вещей, которые мы имеем сегодня, мы можем уверенно заявить, что 13,81 миллиарда лет - это возраст Вселенной с очень небольшой неопределенностью. Это невероятный научный подвиг.
И это действительно один из способов. Это главный, лучший, самый полный, и на него указывает масса различных доказательств. Но есть еще один, и он невероятно полезен для проверки наших результатов.
Дело в том, что мы знаем, как живут звезды, сжигают свое топливо и умирают. В частности, мы знаем, что все звезды, когда они живы и сжигают свое основное топливо (переплавляя водород в гелий), имеют определенную яркость и цвет и остаются в этой конкретной яркости и цвете только в течение определенного периода времени: пока в их ядрах не закончится топливо.
В этот момент более яркие, голубые звезды и звезды с большей массой начинают «выключаться» из главной последовательности (изогнутая линия на диаграмме цвет-величина ниже), превращаясь в гигантов и/или сверхгиганты.
Глядя на то, где находится эта точка поворота для скопления звезд, которые все сформировались в одно и то же время, мы можем выяснить - если мы знаем, как работают звезды - сколько лет тем звездам в кластер есть. Когда мы смотрим на самые старые шаровые скопления, с наименьшим содержанием тяжелых элементов и чье выключение приходится на звезды с наименьшей массой, мы обнаруживаем, что они довольно последовательно приходятся на возраст примерно до 13,2 миллиарда лет., но не намного старше. (Имейте в виду, что здесь существуют значительные неопределенности примерно в миллиард лет.)
Возраст 12 миллиардов лет и выше очень распространен, но возраст, скажем, 14 миллиардов лет и более неизвестен, хотя в 1990-х годах был период, когда возраст 14-16 миллиардов лет часто цитировались. (Улучшение понимания звезд и их эволюции привело к снижению этих цифр.)
Итак, у нас есть два метода -один из нашей космической истории и один из измерений местных звезд - - которые показывают нам, что возраст нашей Вселенной составляет от 13 до 14 миллиардов лет. Никого не удивит, если окажется, что нам всего 13,6 или 14,0 миллиардов лет, но с полной уверенностью нам не 13,0 или 15,0 миллиардов лет. Допустим, нам 13,8 миллиарда лет с уверенностью, и теперь вы знаете, как мы это вычислили!
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!