Спроси Итана: Откуда мы знаем, что Вселенной 13.8 млрд лет?

Итан Зигель,

Форбс,

27 августа 2016 года

с любезного разрешения автора.

Смотря все дальше и дальше в пространство, мы также видим все более и более отдаленное прошлое. Сколько еще нужно пройти, чтобы увидеть начало Вселенной?

Image credit: ESA/Hubble & NASA; 
Acknowledgement: Judy Schmidt.

Вы уже слышали эту историю - Вселенная началась 13.8 млрд лет назад, сформировала атомы, звезды, галактики, и, со временем, планеты с нужными для жизни ингредиентами. Смотреть дальше в пространство - все равно что возвращаться в прошлое, и, как-то так получилось, что благодаря физике и астрономии, мы не только открыли, как началась Вселенная, но и определили ее возраст. Но как мы это узнали? Вот, как спрашивает об этом Тис Хауптфлейш (Thys Hauptfleisch) в выпуске этой недели подборки Спроси Итана:

"Итан, как вычислили эти 13.8 млрд лет? (по-английски, пожалуйста)"

Для измерения этого числа у нас есть два метода, и, хотя один из них значительно более точный, чем второй, менее точный метод основан на гораздо меньшем количестве допущений.

Изображение истории Вселенной

Image credit: NASA / GSFC / Dana Berry.

Более точный метод - поразмыслить над тем, что сегодня Вселенная расширяется и остывает, и понять, что она, соответственно, была горячее и компактнее в прошлом. Если возвращаться во времени все ближе и ближе к началу, мы обнаружим, что объем Вселенной был меньше, и что не только частицы материи были ближе друг к другу, но и длины волн отдельных фотонов (квантов света) были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до той длины, которую мы сейчас и наблюдаем.

Излучение смещается в красный конец спектра при расширении Вселенной, и это значит, что в нем было больше энергии, приходящейся на каждый фотон в прошлом.

Image credit: E. Siegel.

Поскольку длины волн фотонов определяют их энергию и температуру, фотон с меньшей длиной волны обладает большей энергией и более высокой температурой. Возвращаясь все дальше и дальше во времени, мы достигнем ранних стадий горячего Большого Взрыва. Важно: есть еще "самая ранняя стадия" горячего Большого Взрыва!

Если мы экстраполируем назад бесконечно, получим точку сингулярности, где нарушаются все законы физики. Согласно современному пониманию очень ранней Вселенной, мы знаем, что стадии горячего, плотного Большого Взрыва предшествовала еще стадия инфляции, чья длительность не определяема. Поэтому, когда мы говорим о "возрасте Вселенной", мы подразумеваем, сколько времени прошло с тех пор, как Вселенную можно было описать состоянием "горячий Большой Взрыв".

После окончания инфляции мы можем описывать Вселенную так, как это делаем сегодня. Начинается отсчет времени возраста Вселенной.

Image credit: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modifications by E. Siegel.

Согласно Общей Теории Относительности, наша Вселенная:

- обладает одинаковой плотностью в больших масштабах,

- подчиняется одним и тем же законам, и имеет одинаковые свойства во всех местах,  

- однородна по всем направлениям.

- в которых произошло расширение при Большом Взрыве - одновременно везде

и, значит, у нас уникальная связь возраста Вселенной и того, как она расширялась в течение всей своей истории.

Скорость расширения Вселенной измеряется по разным типам и процентам  находящихся в ней материи и энергии.   
Image credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI).

Другими словами, если мы можем измерить, как Вселенная расширяется сейчас и как она делала это в другие периоды своей жизни, мы сможем точно узнать, из чего она состоит. Мы знаем это совершенно точно на основе...

- многочисленных наблюдений яркости и расстояний различных объектов - звезд, галактик и сверхновых. Так мы можем построить лестницу космических расстояний. 

- измерений крупномасштабной структуры Вселенной, скоплений галактик, и барионных акустических осцилляций.

- флуктуаций микроволнового излучения фона. Так мы можем понять, как выглядела Вселенная, когда ей было всего 380 тысяч лет от роду.

 Три типа измерений - индикаторы расстояний по звездам и галактикам, крупномасштабная структура Вселенной, и флуктуации микроволнового фонового излучения, - рассказывают нам об истории расширения Вселенной. 
Images credit: ESA/Hubble and NASA, Sloan Digital Sky Survey, ESA and the Planck Collaboration.

Собрав все это вместе, получается, что сейчас Вселенная состоит на 68% из темной энергии, 27% - темной материи, 4.9% - обычной материи, 0.1% - нейтрино и 0.1% - излучения, и, пожалуй, это все. Но если попробовать экстраполировать это расширения назад во времени, можно узнать всю историю ее расширения, и, значит, ее возраст.

График изменения различных компонентов наблюдаемой нами Вселенной со временем.
Image credit: E. Siegel.

Числа, которые мы получаем - в основном, при помощи проекта Планк, но также и Космического Телескопа Хаббл, наблюдений сверхновых и цифрового обзора SLOAN - что Вселенной 13.81 млрд лет, с ошибкой всего в 120 млн лет. Это значит, что мы уверены в этом значении возраста Вселенной с 99.1% точностью, разве не удивительно!

И да, у нас есть числа и других измерений, которые также указывают на этот вывод, но в действительности это все один и тот же метод. Нам просто повезло, что все вместе они рисуют такую непротиворечивую и последовательную картину, хотя каждое по отдельности измерение не может исчерпывающе ответить на вопрос, сколько же лет Вселенной? Каждое измерение дает свою информацию и ответ находится на пересечении их всех вместе взятых. 

Комбинация трех комплектов данных - индикаторов расстояния (сверхновых - SNe), скоплений галактик (BAO) и фонового микроволнового излучения (CMB) 

Image credit: Suzuki et al. (The Supernova Cosmology Project), accepted for publication, Ap.J., 2011., via http://supernova.lbl.gov/Union/.

Если бы у Вселенной были наблюдаемые нами сейчас свойства, но она бы состояла только из нормальной материи, без темной энергии и темной материи, ей было бы всего 10 млрд лет. Если бы во Вселенной было 5% нормальной материи, а постоянная Хаббла - 50км/с/Мпк вместо 70 км/с/Мпк, ей было бы аж 16 млрд лет. Комбинация всех известных нам составляющих дает значение в 13.81 млрд лет с очень маленькой ошибкой. В этом - невероятная сила науки.

Все из вышеперечисленного представляет собой один метод - самый главный, самый лучший, самый совершенный, которому есть тонны доказательств. А для проверки его результатов можно использовать второй, невероятно полезный метод. 

Мерцающие звезды на этом снимке являются переменными, уникальны своим соотношением светимость - период. 

Image credit: Joel D. Hartman, Princeton University, via http://www.astro.princeton.edu/~jhartman/M3_movies.html.

Мы знаем, как живут и эволюционируют звезды, как они выжигают свое топливо и умирают. В частности, мы знаем, что во время своего основного цикла (синтеза водорода в гелий) звезды обладают определенным цветом и яркостью, оставаясь такими в течение ограниченного времени - пока их ядра не закончат синтезировать гелий. 

После этого обладающие более высокой массой, более яркие, голубые звезды начинают "сваливаться" с Главной Последовательности (кривая линия в центре диаграммы спектр-светимость), превращаясь в гигантов или сверхгигантов.

 Жизненный цикл звезд можно понять посредством диаграммы цвет-светимость

Images credit: Richard Powell under c.c.-by-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall under c.c.-by-s.a.-1.0 (R).

Проверяя, где находится точка "сваливания" звезд с главной последовательности для шаровых скоплений, которые сформировались примерно в одно и то же время, можно судить о том, насколько эти звезды старые. Если посмотреть на самые старые шаровые скопления, те, в которых меньше всего тяжелых элементов и чьи "точки сваливания" находятся среди звезд самой низкой массы, довольно прозрачно можно получить значение их возраста в 13.2 млрд лет (с ошибкой около 1 млрд лет туда-сюда, если не возражаете).

Самые старые шаровые скопления содержат звезды возрастом в 95% возраста Вселенной.

Image credit: ESA/Hubble & NASA.

Типичный возраст этих скоплений - около 12 млрд лет, хотя еще в 90е многие считали, что есть скопления возрастом в 14 и даже 16 млрд лет. Улучшение нашего понимания жизненного цикла звезд помогло отбросить эти неправильные числа.

Итак, есть два метода - один на основе истории космоса, а второй - измерения относительно недалеких звезд, - которые позволяют нам утверждать, что возраст Вселенной - между 13 и 14 млрд лет. Никто не удивился бы, если бы оказалось, что Вселенной, скажем, 13.6 или 14.0 млрд лет, но числа вроде 13.0 или 15.0 совершенно исключены. С уверенностью можно утверждать, что Вселенной - 13.8 млрд лет, и теперь вы знаете, почему!