Вселенная существует 13,8 миллиарда лет, начиная с горячего Большого Взрыва. Но было ли это действительно началом, и действительно ли это его возраст?
Ключевые выводы
- Если считать с начала горячего Большого Взрыва, мы узнаем, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, с очень маленькой (~1%) степенью неопределенности.
- Но что дает нам право называть начало горячего Большого Взрыва «началом», тем более, что мы теперь можем с уверенностью утверждать, что ему предшествовал период космической инфляции?
- Реальность такова, что нам приходится делать выбор, и начало горячего Большого Взрыва - это одна из самых ранних вещей, в которых мы можем быть уверены. Вот что на самом деле означает «возраст Вселенной».
Согласно теории горячего Большого Взрыва, у Вселенной было начало. Первоначально известная как «день без вчерашнего дня», это одна из самых противоречивых, философски умопомрачительных частей информации, которую мы привыкли принимать как часть научной истории нашей Вселенной. Многие недоброжелатели отклонят его как слишком соответствующее некоторым религиозным текстам, в то время как другие - возможно, более справедливо - заметят, что в современном контексте космической инфляции горячий Большой взрыв произошел только как последствие предыдущей эпохи.
И все же, если вы спросите любого космолога или астрофизика, хорошо разбирающегося в научной истории нашего происхождения: «Сколько лет нашей Вселенной?» вы всегда получаете один и тот же ответ: 13.8 миллиардов лет. Почему это так и когда мы начинаем считать? Это то, что хочет знать Дени Годе, написав, чтобы спросить:
«Почему вы начинаете считать возраст Вселенной после того, как прошло 380 000 лет после Большого взрыва?»
Время «380 000 лет после Большого Взрыва» представляет особый интерес, но мало кто отмечает его как начало Вселенной; однако это начало чего-то важного. Вот что мы можем сказать о том, насколько стара наша Вселенная на самом деле.
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 как раз сейчас заканчивается топливо в ядре, а несколько голубых звезд являются результатом слияния: голубые отставшие звезды.
Первое, что вам нужно понять, это то, что существует два разных способа измерения возраста Вселенной с момента начала горячего Большого Взрыва.
- Мы можем найти «самую старую вещь, которую мы знаем, как измерить ее возраст» и сделать вывод, что Вселенная должна быть не меньше этого возраста.
- Мы можем использовать то, что мы знаем о теории, управляющей Вселенной, общей теории относительности, а также наши знания о том, из чего состоит Вселенная, плюс то, как быстро она расширяется сегодня, чтобы рассчитать, сколько времени прошло с начала горячего Большого Взрыва.
Первый метод - это не совсем измерение возраста Вселенной, а скорее проверка здравомыслия: Вселенная не может быть моложе вещей в ней, поэтому, когда мы находим в ней вещи и измеряем их возраста, мы заключаем, что Вселенная должна быть не меньше этого возраста.
Поскольку космология и астрофизика выросли из гораздо более старых наук астрономии и физики, неудивительно, что мы научились очень хорошо знать возраст звезд и больших популяции звезд. Вот как это работает.
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.
Когда и где бы ни рождались звезды, что происходит всякий раз, когда облака газа в достаточной степени разрушаются под действием собственной гравитации, они бывают самых разных размеров, цветов, температур и масс. Самые большие, самые голубые и самые массивные звезды содержат наибольшее количество ядерного топлива, но, возможно, как это ни парадоксально, эти звезды на самом деле являются самыми короткоживущими. Причина проста: в ядре любой звезды, где происходит ядерный синтез, он происходит только там, где температура превышает 4 миллиона К, и чем выше температура, тем выше скорость синтеза.
Таким образом, у самых массивных звезд может быть больше всего доступного топлива в начале, но это означает, что они ярко светятся, поскольку быстро сжигают свое топливо. В частности, самые горячие области в ядре быстрее всего истощают свое топливо, что приводит к тому, что самые массивные звезды умирают быстрее всего. Лучший метод, который у нас есть для измерения «Сколько лет набору звезд?» состоит в том, чтобы исследовать шаровые скопления, которые образуют звезды по отдельности, часто все сразу, а затем никогда снова. Глядя на оставшиеся более холодные и тусклые звезды (и на отсутствие более горячих, голубых, ярких и массивных звезд), мы можем с уверенностью заявить, что Вселенной должно быть не менее ~12,5-13,0 миллиардов лет.
Измерение времени и расстояния (слева от «сегодня») может дать информацию о том, как Вселенная будет развиваться и ускоряться/замедляться далеко в будущем. Связав скорость расширения с содержанием материи и энергии во Вселенной и измерив скорость расширения, мы можем оценить количество времени, прошедшее с начала горячего Большого взрыва.
Точно так же мы можем взять известные законы физики, такие как Общая теория относительности, и применить их к расширяющейся Вселенной. Это приводит к набору уравнений - уравнений Фридмана - которые связывают то, как Вселенная расширялась на протяжении своей истории, с тем, насколько быстро она расширяется сегодня, а также различные формы энергии, присутствующие внутри нее. Когда мы возьмем наилучший доступный набор данных, в том числе из космического микроволнового фона (CMB), который состоит из света, оставшегося от Большого взрыва, и из всех собранных нами крупномасштабных кластерных данных, мы получим прямой ответ, который открывает нам нашу космическую историю.
Мы обнаружили, что Вселенная состоит из:
- 68% темной энергии,
- 27% темной материи,
- 4.9% нормальная материя,
- 0,1% нейтрино,
- 0,01% фотонов,
и ничего остального. Мы также обнаруживаем, что она расширяется со скоростью 67 км/с/Мпк, что, если объединить всю эту информацию вместе, показывает, что Вселенной 13,8 миллиарда лет, если экстраполировать ее до самого момента Большого Взрыва.. Дело закрыто?
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.
Не совсем. Вы можете выдвинуть три возражения, каждое из которых имеет разную степень обоснованности.
Возражение №1: А как насчет хаббловского натяжения или того факта, что разные методы измерения дают значение скорости расширения, равное 74 км/с/Мпк, или на 9% больше указанного значения?
Это правда: если мы измерим отпечаток ранней Вселенной, например, насколько далеко друг от друга находятся разные максимальные «пики» плотности в расширяющейся Вселенной, мы получим более раннее значение 67 км/ч. с/Мпк с упомянутыми выше составляющими Вселенной. Но что, если этот метод неверен или не является универсально правильным, а используемые нами более поздние методы, такие как лестница космических расстояний, которая дает 74 км/с/Мпк, верны вместо этого?
Вы можете подумать, что это подразумевает более молодую Вселенную, поскольку «более быстрое расширение» означает, что требуется меньше времени, чтобы проследить Вселенную до состояния, когда вся материя и энергия были сжаты до одной точки..
Но оказывается, что существуют вырождения между различными параметрами с точки зрения «из чего состоит Вселенная» и «насколько быстро Вселенная расширяется», а это означает, что если скорость расширения на 9% больше, то заставляет нас немного увеличить количество темной энергии на несколько процентов, за счет темной материи, которая уменьшается примерно на столько же.«Возраст Вселенной» может немного сместиться, возможно, до 13,6 миллиардов лет, но это совсем ненамного. Параметр «возраст» практически не зависит от этих изменений.
Визуальная история расширяющейся Вселенной включает в себя горячее плотное состояние, известное как Большой Взрыв, и последующий рост и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой взрыв в качестве достоверного объяснения всего, что мы видим. По мере расширения Вселенная также охлаждается, позволяя формироваться ионам, нейтральным атомам и, в конечном счете, молекулам, газовым облакам, звездам и, наконец, галактикам.
Возражение 2: Должны ли мы начать отсчет с 380 000 лет, когда было испущено наблюдаемое нами реликтовое излучение, или с какого-то другого рубежа вместо номинального «t=0», соответствующего моменту выброса Большой взрыв?
Это интересное соображение, потому что имеет смысл экстраполировать только настолько далеко назад, насколько ваши данные позволяют вам быть уверенным в том, что экстраполяция верна. Однако есть две причины, по которым я не стал бы возвращаться только к реликтовому излучению.
- У нас есть два набора сигналов, которые уходят в прошлое: обилие легких элементов, созданных в результате нуклеосинтеза Большого взрыва, который происходит, когда с момента горячего Большого взрыва прошло всего 3-4 минуты, и сигналы от космического нейтринного фона, которые впечатывают себя в реликтовое излучение и крупномасштабную структуру Вселенной, которые были созданы и застыли, когда с момента горячего Большого взрыва прошла всего ~1 секунда.
- Когда мы отсчитываем миллиарды лет назад - вы знаете, 13,8 миллиарда лет - неопределенность заключается в последней цифре: «8» в 13,8 миллиардах. Если вы ошибетесь на 380 000 лет или на несколько минут или секунд, если на то пошло, вы не заметите; это не существенно по сравнению с 13. Цифра 8 миллиардов.
Это правда, что есть много вех, которые мы можем достичь, экстраполируя назад во времени: первые скопления галактик, первые галактики, первые звезды, первые нейтральные атомы, первые стабильные атомные ядра, первые протоны и нейтроны, первые массивные частицы и т. д., но если мы пойдем как можно раньше, мы знаем - по крайней мере, с точностью до трех значащих цифр, - что «13,8 миллиарда лет назад» - это время, когда начался горячий Большой взрыв.
Из ранее существовавшего состояния инфляция предсказывает, что серия вселенных будет порождена по мере продолжения инфляции, каждая из которых будет полностью отделена от любой другой, отделенной более раздувающимся пространством. Один из таких «пузырей», где закончилась инфляция, породил нашу Вселенную около 13,8 миллиардов лет назад с очень низкой плотностью энтропии, но ни разу не нарушив 2-й закон термодинамики.
Возражение №3: Хорошо, но Вселенная на самом деле началась не с горячего Большого Взрыва; ей предшествовала космическая инфляция. Так почему бы не начать с начала инфляции?
Теперь ты говоришь на моем языке. Это меня тоже сбивает с толку, потому что я знаю, что возвращение на 13,8 миллиарда лет назад к горячему Большому взрыву не совсем возвращает нас к истинному началу. Вместо этого он возвращает нас к предположению, которое, как мы думали раньше, может быть верным, но теперь мы уверены, что это не так: что вы можете экстраполировать нашу расширяющуюся и охлаждающуюся Вселенную в прошлое, используя компоненты Вселенной, которые мы имеем сегодня., до состояния, когда у нас было:
- слишком высокая температура,
- сколь угодно высокие плотности,
- и где наша Вселенная диаметром 92 миллиарда световых лет сегодня вся сжалась в одну точку.
Идея о том, что начало горячего Большого взрыва соответствует сингулярности, когда-то считалась данностью, возможно, начиная с 1920-х годов, когда был впервые задуман Большой взрыв, до 1970-х годов. Но в 1970-х мы начали замечать некоторые специфические свойства, которые, казалось, не согласовывались с идеей экстраполяции горячего Большого взрыва на эти сколь угодно горячие, плотные, энергичные и малые состояния.
Если у этих трех разных областей пространства никогда не было времени для термализации, обмена информацией или передачи сигналов друг другу, то почему они все имеют одинаковую температуру? Это одна из проблем с начальными условиями Большого взрыва; как все эти регионы могли получить одинаковую температуру, если они каким-то образом не начинались таким образом?
Например, мы видели, что Вселенная была пространственно плоской: скорость расширения и общее количество материи и энергии во Вселенной были идеально сбалансированы, вплоть до атома. Это, безусловно, возможно в рамках парадигмы Большого взрыва, но это никоим образом не предсказано. Мы также увидели, что Вселенная обладает теми же свойствами, включая температуру и плотность, в областях, которые не могли общаться или обмениваться информацией друг с другом с момента начала горячего Большого взрыва. И, во-вторых, мы не видели никаких оставшихся высокоэнергетических реликвий, подобных тем, которые можно было бы ожидать, если бы Вселенная когда-нибудь достигла этих сверхгорячих состояний.
Возникла одна из возможностей, заключавшаяся в том, что Вселенной перед горячим Большим взрывом предшествовал период экспоненциального расширения, который создал и привел к условиям, которые мы наблюдаем. Вселенная была бы плоской, потому что инфляция растянула ее так, что она стала бы неотличима от плоской, независимо от того, какой она была раньше. Это была бы одинаковая температура во всех направлениях, потому что эти ныне несопоставимые регионы когда-то перекрывались, но инфляция разъединила их. И не было бы высокоэнергетических реликтов, потому что Вселенная никогда не достигала этих сколь угодно высоких температур, а только разогревалась после окончания инфляции до конечной температуры ниже планковской шкалы.
На верхней панели наша современная Вселенная имеет одинаковые свойства (включая температуру) везде, потому что они произошли из области, обладающей одинаковыми свойствами. На средней панели пространство, которое могло иметь произвольную кривизну, раздуто до такой степени, что сегодня мы не можем наблюдать никакой кривизны, что решает проблему плоскостности. А на нижней панели ранее существовавшие высокоэнергетические реликвии раздуваются, обеспечивая решение проблемы высокоэнергетических реликвий. Вот как инфляция решает три великие загадки, которые Большой взрыв не может объяснить сам по себе.
Что отличает инфляцию от других спекуляций, так это ее способность делать предсказания, отличные от предсказаний горячего Большого взрыва, если бы инфляции не было. Многие из этих предсказаний подтвердились более поздними наблюдениями, в том числе:
- предсказание почти масштабно-инвариантного спектра флуктуаций плотности с небольшим наклоном к нему,
- где все флуктуации были бы адиабатическими, а не изокривизными по своей природе,
- включая существование флуктуаций в масштабах, превышающих космический горизонт, установленный скоростью света,
- и где Вселенная достигла максимальной температуры, как показывает реликтовое излучение, которая была значительно ниже шкалы Планка.
Все эти предсказания были впоследствии подтверждены, что означает, что до начала горячего Большого Взрыва существовал период экспоненциального расширения.
Но как долго длился этот период и что ему предшествовало?
Что касается первого вопроса о том, как долго это продолжалось, это вопрос, в котором у нас есть только нижний предел, но нет верхнего предела, установленного данными. Инфляция должна была привести к «удвоению» Вселенной по крайней мере в несколько сотен раз, но если каждое «удвоение» занимает примерно 10-35секунд, тогда это только говорит нам о том, что Вселенная должна была подвергнуться инфляции в течение по крайней мере ~10-32 секунд. Он мог длиться наносекунды, секунды, годы, триллионы лет, гуголы лет или даже дольше, прежде чем закончился и дал начало горячему Большому Взрыву.
Синие и красные линии представляют «традиционный» сценарий Большого взрыва, где все начинается в момент времени t=0, включая само пространство-время. Но в инфляционном сценарии (желтый) мы никогда не достигнем сингулярности, когда пространство переходит в сингулярное состояние; вместо этого оно может стать сколь угодно малым в прошлом, в то время как время продолжает вечно идти назад. Только последняя крохотная доля секунды с момента окончания инфляции запечатлевается в нашей наблюдаемой Вселенной сегодня.
Но ответ также: «Вероятно, это не продолжалось бесконечное количество времени», когда дело доходит до инфляции. Хотя могут быть лазейки, которые позволяют нам избежать начальной сингулярности, есть несколько очень убедительных теорем, которые убедительно предполагают, что инфляция возникла из доинфляционного состояния, которое могло быть сингулярным. Неизвестно, каков был физический механизм, с которого это началось, и применимы ли наши нынешние законы физики вообще к тем ранним временам.
Но одно можно сказать наверняка: когда мы говорим о «возрасте Вселенной», мы говорим о «возрасте Вселенной, который мы можем наблюдать», который включает в себя Вселенную, идущую назад до начала горячего Большого Взрыва и той крошечной доли секунды, за которую последние моменты инфляции оставили отпечаток на нашей Вселенной. Почти наверняка перед последней частью инфляции, которая оставила нам наблюдаемые сигналы, было больше инфляции, и почти наверняка было что-то еще до начала инфляции, но как долго они длились, на что они были похожи и что их вызвало. начинаются не те вопросы, на которые наука ответила. Возраст Вселенной, которую мы наблюдаем, составляет 13,8 миллиарда лет, но то, что было до нее (и как долго), все еще находится в сфере предположений.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!