Возраст вселенная: Как узнали возраст Вселенной | Вокруг Света

Возраст вселенной | это… Что такое Возраст вселенной?

ТолкованиеПеревод

Возраст вселенной
Космология

  • Возраст Вселенной
  • Большой взрыв
  • Содвижущееся расстояние
  • Реликтовое излучение
  • Космологическое уравнение состояния
  • Тёмная энергия
  • Скрытая масса
  • Вселенная Фридмана
  • Космологический принцип
  • Космологические модели
  • Формирование галактик
  • Закон Хаббла
  • Космическая инфляция
  • Крупномасштабная структура космоса
  • Критическая плотность
  • Модель Лямбда-CDM‎
  • Расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Космологическое красное смещение
  • Форма Вселенной
  • Формирование структуры
  • Хронология Большого взрыва
    • Графическая хронология
  • Хронология космологии
  • Безусловная судьба Вселенной
  • Вселенная
Родственные темы
  • Астрофизика
  • ОТО
  • Физика элементарных частиц
  • Квантовая гравитация
  • Эволюция
  • Синергетика
 Шаблон: Просмотр • Обсуждение • Править 

Во́зраст Вселе́нной — время, прошедшее с момента, когда появилась Вселенная (время, материя, звёзды, планеты и т.  п.). Существует ряд различных научных, религиозных и мифологических оценок возраста Вселенной и хронологий.

Содержание

  • 1 Современная наука
  • 2 Основные этапы развития Вселенной
  • 3 Индуистская хронология
  • 4 Библейские источники
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки

Современная наука

Считается, что наша Вселенная появилась около 13,73±0,12 млрд лет назад. Это современная оценка, принятая на основе одной из распространённых моделей (см. обсуждение) Вселенной.

Возраст Вселенной можно определить по крайней мере тремя способами[1]:

  • Возраст элементов — возраст химических элементов можно оценить, используя явление радиоактивного распада с тем, чтобы определить возраст определённой смеси изотопов.
  • Возраст скоплений — возраст самых старых шаровых скоплений звёзд можно оценить, используя кривую в координатах светимость-температура для звёзд крупных шаровых скоплений. Этим методом было показано, что возраст Вселенной больше, чем 12.07 миллиардов лет с 95%-ной доверительной вероятностью.
  • Возраст звёзд — возраст старейших звёзд белых карликов можно оценить, используя измерения яркости белых карликов. Более старые белые карлики будут более холодными и потому менее яркими. Обнаруживая слабые белые карлики, можно оценить продолжительность времени, в течение которого данный белый карлик охлаждался. Oswalt, Smith, Wood и Hintzen (1996, Nature, 382, 692) проделали это и получили возраст миллиардов лет для звёзд основного диска Млечного пути. Они оценили возраст Вселенной по крайней мере на 2 миллиарда лет старше возраста диска, т.е. больше 11.5 миллиардов лет.

Кроме того, существуют способы оценки Возраста Вселенной, исходя из космологических моделей на основе определения Постоянной Хаббла.

Основные этапы развития Вселенной

Большое значение для определения Возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация[2] Истории Вселенной:

  • Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, это Планковское время (10−43с после Большого взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий. По современным представлениям эта эпоха Квантовой космологии продолжалась до времени порядка (10−11с после Большого взрыва).
  • Следующая эпоха характеризуется рождением первоначальных частиц кварков и разделением видов взаимодействий. Эта эпоха продолжалась до времён порядка (10−2с после Большого взрыва). В настоящее время уже существуют возможности достаточно подробного физического описания процессов этого периода.
  • Современная эпоха Стандартной космологии началась через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается до сих пор. В этот период образовались ядра первичных элементов, возникли звёзды, Галактики, солнечная система, планеты, появилась жизнь на Земле.

Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям это произошло через 380000 лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде Реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.

Индуистская хронология

В индуизме день Брахмы, состоящий из 1000 периодов по 4 юги (4,320 млрд лет). По прошествии этого периода наступает ночь Брахмы, равная по продолжительности Кальпе. Считается, что нынешний Брахма находится на 51 году своей жизни, что соответствует 155,52 трлн. лет.

Библейские источники

Сотворение света, из иллюстраций Гюстава Доре к Библии. Быт. 1:1 («Да будет свет»).

В первые века христианства предпринимались попытки соотнести современность и события, описанные в Библии. Проповедник де-Виньоль, живший в XVIII веке, после 40 лет изучения библейских хронологий, в результате проведённых подсчётов насчитал около 200 различных вариантов эры «от сотворения мира», или «от Адама». Согласно таковым, период времени от сотворения мира до Рождества Христова насчитывал от 3483 до 6984 лет.

Наибольшее распространение приобрели три так называемые мировые эры:

  • Александрийская эра Анниана — (исходная точка — 5501 (фактически 25 мая 5493) год до н. э., а также 5472 год до н. э. или 5624 год до н. э.), бывшая основной хронологией в Византийской империи до IX века.
  • Антиохийская эра — (1 сентября 5969 год до н. э.) по Феофилу, создана в 180 н. э.
  • Византийская эра (константинопольская) — (21 марта 5508, а впоследствии 1 сентября 5509 г. до н. э.)., которая начиная с VII века постепенно стала текущей хронологической системой в Византийской империи и во всём православном мире. Согласно Септуагинте (греческий перевод Ветхого Завета) были определены также и даты других библейских событий. Однако католический Рим этих расчётов не признал. Эта эра была также введена в Сербии, Болгарии, а также и в России, где система использовалась с XI века до её упразднения в 1700 г. Петром I.
  • Ватиканская эра существенно короче византийской. Дело в том, что в Вульгате (латинский перевод Ветхого Завета) продолжительности жизни древних патриархов, правления царей и т. п. указаны меньшие, чем в греческом переводе.
  • Иудейская эра начинается 6/7 октября 3761 г. до н. э. Это летосчисление является частью еврейского календаря и в настоящее время официально используется в Государстве Израиль наряду с григорианским календарём.
Другие датировки начала мира
  • 3491 до н. э. — датировка по Иерониму;
  • 4004 до н. э. (23 октября) — по Джеймсу Ашшеру;
  • 4700 до н. э. — самарийская;
  • 5199 до н. э. — датировка по Евсевию Кесарийскому;
  • 5500 до н. э. — по Ипполиту и Сексту Юлию Африканскому;
  • 5515 до н. э., а также 5507 до н. э. — по Феофилу;
  • 5551 до н. э. — по Августину;
  • 5872 до н. э. — так называемая датировка 70 толковников.

См. также

  • Вселенная
  • Сотворение мира
  • Конец света

Примечания

  1. ↑ http://cosmo. labrate.ru/age.html
  2. ↑ http://cosmo.labrate.ru/cambrige/bb_history.html

Ссылки

  • WMAP Recommended Parameter Values

Wikimedia Foundation.
2010.

Поможем сделать НИР

  • Возняцки
  • Возняцки, Каролин

Полезное

Откуда мы знаем возраст Вселенной?

Анализируя свет, мы можем определить приблизительный возраст Вселенной. (Изображение предоставлено: Константин Джонни / Getty Images)

В космическом вакууме разбросаны звезды, галактики, звездные остатки и другие объекты, которым миллиарды и миллиарды лет. Сейчас считается, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет – почти непостижимо. Но откуда мы это знаем?

Мы можем определить возраст Вселенной (в некоторой степени), анализируя свет и другие типы излучения, идущего из глубокого космоса, но ученые не всегда соглашались с возрастом Вселенной, и они продолжают уточнять ответ по мере повышения уровня телескопов.

В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл придумал способ определения взаимосвязи между расстоянием до объекта, основанным на том, сколько времени требуется его свету, чтобы достичь Земли, и скоростью его удаления от нас, основанной на том, насколько сильно свет из отдаленных мест краснеет, или смещается в сторону более низкоэнергетического (или более красного) конца электромагнитного спектра.

Эта метрика, теперь известная как постоянная Хаббла, описывает расширение Вселенной в разных местах. По данным NASA, постоянная Хаббла выше для объектов, которые находятся дальше, и наоборот, что позволяет предположить, что расширение Вселенной ускоряется. Одним из следствий этого открытия является то, что предполагаемый возраст Вселенной труднее доказать. (1)

Сейчас считается, что Вселенной около 13,8 миллиарда лет. Это определили разные группы ученых, которые объявили о своих выводах в 2020 году после переоценки данных космического корабля «Планк» Европейского космического агентства и анализа данных космологического телескопа Атакама (ACT) в Чили. Это примерно на 100 миллионов лет старше предыдущей оценки, которая была определена на основе данных, полученных с космического корабля «Планк» в 2013 году. И космический корабль, и телескоп нанесли на карту реликтовое излучение (CMB), оставшееся от Большого взрыва. Объединив эти данные с существующими моделями того, как быстро появлялись различные типы материи и небесных объектов после того, как все началось, ученые смогли оценить, как далеко назад произошло это взрывное рождение Вселенной.

Иллюстрация, показывающая расширение Вселенной после Большого взрыва. (Изображение предоставлено: Марк Гарлик / Science Photo Library / Getty Images)

Ученые считают, что свет от реликтового излучения появился через 400000 лет после Большого взрыва. Вселенная начиналась как раскаленная плазма, в которой световые пучки, или фотоны, были присоединены к электронам. В конце концов он достаточно остыл, чтобы фотоны отделились от электронов, покинули плазму и рассеялись по космосу, сформировав то, что сейчас известно как реликтовое излучение. Таким образом, измеряя, насколько далеко находится такой рассеянный свет, ученые получают оценку того, сколько лет Вселенной.

«Чем больше расстояние, которое мы измеряем, до самого последнего времени рассеяния фотонов, тем старше возраст Вселенной, поскольку реликтовому излучению приходилось преодолевать большее расстояние, чтобы добраться до нас,» – сказал Стив Чой, национальный исследователь, постдокторант Научного фонда астрономии и астрофизики Корнельского университета. «Это заняло бы больше времени, а значит, более старший возраст».

Для более новой оценки в 13,8 миллиарда лет, объявленной в 2020 году, Симон Айола, научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон в Нью-Йорке, возглавил группу ученых, которые повторно исследовали реликтовое излучение с помощью ACT, согласно их исследованию, опубликованному в научном журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. (2)

«Хотя эти карты охватывают меньшую область, чем карты, выпущенные командой Планка, их улучшенное разрешение позволяет проводить более точные измерения,» – сказал Айола. «Наши наблюдения обеспечивают независимое измерение неба реликтового излучения, которое можно сравнить с измерением, сделанным командой Планка».

Айола и его коллеги совершили прорыв, получив возможность наблюдать реликтовое излучение в меньшем масштабе, чем когда-либо, поэтому они смогли увидеть гораздо больше деталей и нарушений, которые рассказали о том, что происходило в ранней Вселенной и как далеко назад произошли эти явления. Это было возможно, потому что ACT очень чувствителен. Сравнив эти высокоточные карты с существующими прогнозами возраста Вселенной, команда пришла к выводу, что возраст составляет 13,8 миллиарда лет.

Аналогичное исследование с космологическим телескопом Атакама, проведенное под руководством Чоя в соавторстве с Айолой и опубликованное в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics в 2020 году, также показало, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет. (3)

Возможно ли, что Вселенная еще старше? Может быть. По мере того, как телескопы становятся все более совершенными, они могут заглянуть в прошлое дальше, чем мы когда-либо могли себе представить, и найти что-то, что изменит все, что, как мы думали, мы знали.

Live Science

Михаил Сюняев

Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».

Возраст Вселенной | StarDate Online

Большинство астрономов сходятся во мнении, что наблюдаемой Вселенной от 13 до 14 миллиардов лет.

Астрономы используют несколько различных методов для определения возраста Вселенной. В последние годы результаты этих различных методов стали более согласовываться.

Один из методов определения возраста Вселенной включает поиск самых старых звезд и расшифровку их возраста на основе знаний о том, как звезды рождаются, развиваются и умирают. Белые карлики являются особенно хорошими кандидатами для этих исследований. Это сгоревшие золы звезд, которые когда-то были похожи на Солнце.

Исчерпав все ядерное топливо в своих ядрах, эти звезды среднего размера начинают сдувать свои внешние слои, теряя газ в космос, пока не останется только маленькое ядро ​​размером с Землю. Затем эти ядра начинают длительный процесс охлаждения в течение миллиардов лет. Измеряя их температуру, астрономы могут определить их возраст и то, как долго они остывают. Исследования белых карликов показывают, что самые старые из них остывают в течение 12–13 миллиардов лет, что обеспечивает минимальное значение возраста Вселенной.

Это согласуется с результатами, объявленными в 2001 году космическим телескопом Хаббла «Ключевой проект» по определению скорости расширения Вселенной. Астрономы наблюдали 800 пульсирующих звезд-цефеид в 18 ближайших галактиках. Измерив скорость пульсации звезд, астрономы определили их истинную яркость, которая, в свою очередь, показала расстояние до них. Улучшенные измерения расстояний до этих ближайших галактик позволили астрономам определить скорость расширения Вселенной с точностью до 10 процентов. Объединив это значение с оценками плотности Вселенной, они подсчитали, что возраст Вселенной составляет около 13,7 миллиардов лет.

Ученые также могут датировать Вселенную, изучая излучение, оставшееся после Большого Взрыва, взрыва, приведшего в движение эволюцию Вселенной. Это излучение, называемое космическим микроволновым фоном (CMB), видно во всех направлениях в небе и остыло всего до трех градусов выше абсолютного нуля.

Микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP), орбитальная обсерватория, потратил год на создание подробной карты мельчайших изменений температуры реликтового излучения (рисунок вверху). Модели эволюции Вселенной делают конкретные предсказания того, как будут выглядеть такие паттерны реликтового излучения. В 2003 году ученые WMAP объявили, что они сравнили «детскую картину» Вселенной, сделанную их спутником, с различными предсказаниями и нашли совпадение по определенному набору характеристик. Данные WMAP показывают, что нашей Вселенной 13,7 миллиарда лет, и она состоит только из четырех процентов обычных атомов. Темная материя составляет около 23 процентов. Остальные 73 процента составляют загадочная «темная энергия».

Космическая инфляция

Согласно теории инфляции, само пространство расширялось с ошеломляющей скоростью в течение первой крошечной доли секунды после Большого взрыва. Вселенная была растянута и сплющена — какая бы округлость она ни имела, она была сплющена, как воздушный шар, надутый настолько, что любая его часть кажется плоской. Инфляция говорит, что из-за этого наш «горизонт» в космосе мал, поэтому мы никогда не увидим больше, чем крошечную часть Вселенной.

29.1 Возраст Вселенной — Астрономия 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите, как мы оцениваем возраст Вселенной
  • Объясните, как изменения скорости расширения во времени влияют на оценки возраста Вселенной
  • Опишите доказательства существования темной энергии и того, что скорость расширения в настоящее время увеличивается
  • Опишите некоторые независимые данные о возрасте Вселенной, которые согласуются с оценкой возраста, основанной на скорости расширения

Чтобы исследовать историю Вселенной, мы пойдем по тому же пути, по которому исторически шли астрономы, — начав с изучения близлежащей Вселенной, затем исследуя все более отдаленные объекты и заглядывая в прошлое.

Осознание того, что Вселенная меняется со временем, пришло в 1920-х и 1930-х годах, когда стали доступны измерения красных смещений большой выборки галактик. Оглядываясь назад, удивительно, что ученые были так потрясены, обнаружив, что Вселенная расширяется. На самом деле наши теории гравитации требуют, чтобы Вселенная либо расширялась, либо сжималась. Чтобы показать, что мы имеем в виду, давайте начнем со вселенной конечного размера — скажем, с гигантского шара из тысячи галактик. Все эти галактики притягиваются друг к другу из-за своей гравитации. Если бы они изначально были неподвижны, они неизбежно начали бы сближаться и, в конце концов, столкнулись бы. Избежать этого коллапса они могли только в том случае, если по какой-то причине им случалось удаляться друг от друга на больших скоростях. Точно так же, только если ракета запущена с достаточно высокой скоростью, она может избежать падения обратно на Землю.

Проблема того, что происходит в бесконечной вселенной, решить труднее, но Эйнштейн (и другие) использовал свою общую теорию относительности (которую мы описали в «Черных дырах и искривленном пространстве-времени»), чтобы показать, что даже бесконечные вселенные не могут быть статичными. Поскольку в то время астрономы еще не знали, что Вселенная расширяется (а сам Эйнштейн с философской точки зрения не желал допускать существование Вселенной в движении), он изменил свои уравнения, введя произвольное новое слагаемое (мы могли бы назвать его фиктивным фактором), называемое космологическим фактором. постоянный. Эта константа представляла собой гипотетическую силу отталкивания, которая могла бы уравновесить гравитационное притяжение в самых больших масштабах и позволить галактикам оставаться на фиксированном расстоянии друг от друга. Таким образом, Вселенная могла оставаться неподвижной.

Рисунок
29,2

Эйнштейн и Хаббл.

(а) Альберт Эйнштейн изображен на фотографии 1921 года. (b) Эдвин Хаббл за работой в обсерватории Маунт-Вилсон.

Примерно десять лет спустя Хаббл и его коллеги сообщили, что Вселенная расширяется, так что никакой таинственной уравновешивающей силы не требуется. (Мы обсуждали это в главе о галактиках.) Сообщается, что Эйнштейн сказал, что введение космологической постоянной было «самой большой ошибкой в ​​моей жизни». Однако, как мы увидим далее в этой главе, относительно недавние наблюдения указывают на то, что расширение составляет ускорение . В настоящее время проводятся наблюдения, чтобы определить, согласуется ли это ускорение с космологической постоянной. В некотором смысле может оказаться, что Эйнштейн все-таки был прав.

Время Хаббла

Если бы у нас был фильм о расширяющейся вселенной, и мы прокрутили фильм назад , что бы мы увидели? В нашем фильме галактики вместо того, чтобы разлетаться, сместятся на вместе на , все время приближаясь все ближе и ближе. В конце концов мы обнаружим, что вся материя, которую мы можем видеть сегодня, когда-то была сосредоточена в бесконечно малом объеме. Астрономы отождествляют это время с начало вселенной . Взрыв этой концентрированной вселенной в начале времен называется Большим взрывом (неплохой термин, поскольку не может быть большего взрыва, чем тот, который создал всю вселенную). Но когда произошел этот взрыв?

Мы можем сделать разумную оценку времени, прошедшего с начала расширения Вселенной. Чтобы увидеть, как это делают астрономы, давайте начнем с аналогии. Предположим, ваш класс астрономии решает устроить вечеринку (что-то вроде «Большого взрыва») у кого-то дома, чтобы отпраздновать окончание семестра. К сожалению, все празднуют с таким энтузиазмом, что соседи вызывают полицию, которая прибывает и отправляет всех в одно и то же время. Вы возвращаетесь домой в 2 часа ночи, все еще несколько расстроенные тем, как закончилась вечеринка, и понимаете, что забыли посмотреть на часы, чтобы узнать, во сколько прибыла полиция. Но вы используете карту, чтобы измерить, что расстояние между вечеринкой и вашим домом составляет 40 километров. И вы также помните, что всю поездку вы ехали с постоянной скоростью 80 км/ч (поскольку вы беспокоились о полицейских машинах, следующих за вами). Следовательно, поездка должна была занять:

время=расстояниескорость=40км80км/час=0,5часавремя=расстояниескорость=40км80км/час=0,5часа

Значит, вечеринка закончилась в 1:30 ночи.

Люди не могли посмотреть на свои часы, когда возникла Вселенная, но мы можем использовать тот же метод, чтобы оценить, когда галактики начали удаляться друг от друга. (Помните, что в действительности расширяется пространство, а не галактики, движущиеся в статичном пространстве.) Если мы сможем измерить, как далеко сейчас галактики и как быстро они движутся, мы сможем вычислить, как долго поездка это было.

Назовем измеренный таким образом возраст Вселенной T 0 . Давайте сначала рассмотрим простой случай, предположив, что расширение происходит с постоянной скоростью с тех пор, как началось расширение Вселенной. В этом случае время, которое потребовалось галактике, чтобы пройти расстояние d от Млечного Пути (помните, что в начале все галактики были вместе в очень маленьком объеме) составляет (как в нашем примере)

Т0=д/вТ0=д/в

где v — скорость галактики. Если мы сможем измерить скорость, с которой удаляются галактики, а также расстояния между ними, мы сможем установить, как давно началось расширение.

Выполнение таких измерений должно звучать очень знакомо. Это как раз то, что нужно было сделать Хабблу и многим астрономам после него, чтобы установить закон Хаббла и постоянную Хаббла. В «Галактиках» мы узнали, что расстояние до галактики и ее скорость в расширяющейся Вселенной связаны соотношением 9.0003

В=В×dV=В×d

, где H — постоянная Хаббла. Объединение этих двух выражений дает нам

.

T0=dv=d(H×d)=1HT0=dv=d(H×d)=1H

Итак, мы видим, что работа по вычислению этого времени уже была сделана за нас, когда астрономы измерили постоянную Хаббла. Возраст Вселенной, оцененный таким образом, оказывается равным , обратным постоянной Хаббла (то есть 1/ H ). Эту оценку возраста иногда называют временем Хаббла. Для постоянной Хаббла 20 километров в секунду на миллион световых лет время Хаббла составляет около 15 миллиардов лет. (Кстати, единицей измерения постоянной Хаббла, используемой астрономами, является километр в секунду на миллион парсек. В этих единицах постоянная Хаббла равна примерно 70 километрам в секунду на миллион парсек, опять же с погрешностью около 5%. )

Чтобы облегчить запоминание чисел, мы сделали здесь округление. Оценки постоянной Хаббла на самом деле ближе к 21 или 22 километрам в секунду на миллион световых лет, что приближает возраст к 14 миллиардам лет. Но постоянная Хаббла по-прежнему имеет около 5% неопределенности, что означает, что возраст Вселенной, оцененный таким образом, также имеет неопределенность около 5%.

Однако, чтобы представить эти неопределенности в перспективе, вы должны знать, что 50 лет назад неопределенность была равна 2. За последние пару десятилетий был достигнут заметный прогресс в определении постоянной Хаббла.

Роль замедления

Время Хаббла является подходящим возрастом для Вселенной только в том случае, если скорость расширения была постоянной на протяжении всего времени с начала расширения Вселенной. Продолжая нашу аналогию с вечеринкой в ​​конце семестра, это эквивалентно предположению, что вы добирались домой с вечеринки с постоянной скоростью, хотя на самом деле это могло быть не так. Сначала, злясь на необходимость уехать, вы, возможно, ехали быстро, но затем, когда вы успокоились — и подумали о полицейских машинах на шоссе — вы, возможно, начали снижать скорость до тех пор, пока не двигались с более социально приемлемой скоростью (например, как 80 км/час). В этом случае, учитывая, что вначале вы ехали быстрее, дорога домой заняла бы менее получаса.

Точно так же при расчете времени Хаббла мы предполагали, что скорость расширения была постоянной на протяжении всего времени. Оказывается, это не очень хорошее предположение. Ранее, размышляя об этом, астрономы ожидали, что скорость расширения должна замедлиться. Мы знаем, что материя создает гравитацию, посредством чего все объекты притягивают все другие объекты. Ожидалось, что взаимное притяжение между галактиками замедлит расширение с течением времени. Это означает, что, если бы гравитация была единственной действующей силой (большая девятка0045, если , как мы увидим в следующем разделе), то скорость расширения должна была быть выше в прошлом, чем сегодня. В этом случае мы бы сказали, что Вселенная с самого начала прошла замедлений на .

Степень его замедления зависит от важности гравитации для замедления расширения. Если бы Вселенная была почти пуста, роль гравитации была бы незначительной. Тогда замедление было бы близко к нулю, и Вселенная расширялась бы с постоянной скоростью. Но во Вселенной с любой значительной плотностью материи гравитационное притяжение означает, что скорость расширения теперь должна быть медленнее, чем раньше. Если мы используем текущую скорость расширения, чтобы оценить, сколько времени потребовалось галактикам, чтобы достичь своего нынешнего расстояния, мы переоценим возраст Вселенной — точно так же, как мы, возможно, переоценили время, которое потребовалось вам, чтобы вернуться домой с вечеринки.

Универсальное ускорение

Астрономы потратили несколько десятилетий на поиски доказательств того, что расширение замедляется, но безуспешно. Им нужны были 1) более крупные телескопы, чтобы они могли измерять красное смещение более далеких галактик и 2) очень светящаяся стандартная лампа (или стандартная свеча), то есть некий астрономический объект с известной светимостью, производящий огромное количество света. энергии и может наблюдаться на расстоянии в миллиард световых лет и более.

Вспомним, что мы обсуждали стандартные лампочки в главе о галактиках. Если мы сравним, насколько яркой должна быть стандартная лампа и насколько тусклой она выглядит в наших телескопах, разница позволит нам рассчитать расстояние до нее. Красное смещение галактики, в которой находится такая лампочка, может сказать нам, насколько быстро она движется во Вселенной. Таким образом, мы можем независимо измерять его расстояние и движение.

Эти два требования были наконец выполнены в 1990-х годах. Астрономы показали, что сверхновые типа Ia (см. «Гибель звезд») с некоторыми поправками, основанными на форме их кривых блеска, являются стандартными лампочками. Этот тип сверхновой возникает, когда белый карлик аккрецирует достаточно материала от звезды-компаньона, чтобы превысить предел Чандрасекара, а затем коллапсирует и взрывается. Во время максимальной яркости эти драматические сверхновые могут ненадолго затмить вмещающие их галактики, и, следовательно, их можно наблюдать на очень больших расстояниях. Большие 8–10-метровые телескопы можно использовать для получения спектров, необходимых для измерения красных смещений родительских галактик (рис. 29)..3).

Рисунок
29,3

Пять сверхновых и их галактики-хозяева.

Верхний ряд показывает каждую галактику и ее сверхновую (стрелка). В нижнем ряду показаны одни и те же галактики до или после взрыва сверхновых. (кредит: модификация работы НАСА, ЕКА и А. Рисса (STScI))

Результат кропотливого и тщательного изучения этих сверхновых в ряде галактик, проведенного двумя группами исследователей, был опубликован в 1998 году. Это было шокирующим и настолько революционным, что их открытие было удостоено Нобелевской премии по физике 2011 года. Исследователи обнаружили, что эти сверхновые типа Ia в далеких галактиках были слабее, чем ожидалось по закону Хаббла, учитывая измеренное красное смещение их родительских галактик. Другими словами, расстояния, оцененные по сверхновым, использованным в качестве эталонных ламп, расходились с расстояниями, измеренными по красным смещениям.

Если бы Вселенная замедлялась, мы ожидали бы, что далекие сверхновые будут на ярче , чем ожидалось. Замедление удерживало бы их ближе к нам. Вместо этого они были на слабее , что поначалу казалось бессмысленным.

Прежде чем принять это шокирующее открытие, астрономы сначала исследовали возможность того, что сверхновые на самом деле могут быть не такими полезными, как обычные лампочки, как они думали. Возможно, сверхновые казались слишком слабыми из-за того, что пыль на нашем пути к ним поглощала часть их света. Или, возможно, сверхновые на больших расстояниях по какой-то причине были менее яркими, чем близкие сверхновые типа Ia.

Множество более подробных наблюдений исключили эти возможности. Затем ученым пришлось рассмотреть альтернативу, согласно которой расстояние, рассчитанное по красному смещению, было неверным. Расстояния, полученные из красных смещений, предполагают, что постоянная Хаббла была действительно постоянной во все времена. Мы видели, что одна из причин непостоянства заключается в том, что расширение замедляется. Но предположим, что ни одно из предположений не верно (постоянная скорость или замедление).

Вместо этого предположим, что вселенная равна ускорение . Если сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем миллиарды лет назад, то наше движение от отдаленных сверхновых ускорилось с момента взрыва, унося нас дальше от них. Свету взрыва приходится преодолевать большее расстояние, чтобы достичь нас, чем если бы скорость расширения была постоянной. Чем дальше распространяется свет, тем слабее он кажется. Этот вывод мог бы естественным образом объяснить наблюдения сверхновых, и теперь это подтверждено многими дополнительными наблюдениями за последние пару десятилетий. действительно кажется, что 900:45 Вселенная расширяется с ускорением , идея настолько неожиданная, что астрономы поначалу сопротивлялись ее рассмотрению.

Как может ускориться расширение Вселенной? Если вы хотите ускорить свой автомобиль, вы должны подавать энергию, нажимая на газ. Точно так же энергия должна поставляться для ускорения расширения Вселенной. Открытие ускорения было шокирующим, потому что ученые до сих пор не знают, что является источником энергии. Ученые называют это темной энергией, что является явным признаком того, как мало мы ее понимаем.

Обратите внимание, что этот новый компонент Вселенной не является темной материей, о которой мы говорили в предыдущих главах. Темная энергия — это еще что-то, что мы также еще не обнаружили в наших лабораториях на Земле.

Что такое темная энергия? Одна возможность состоит в том, что это космологическая постоянная, представляющая собой энергию, связанную с вакуумом самого «пустого» пространства. Квантовая механика (интересная теория того, как вещи ведут себя на атомном и субатомном уровнях) говорит нам, что источником этой вакуумной энергии могут быть крошечные элементарные частицы, которые появляются и исчезают повсюду во Вселенной. Были предприняты различные попытки рассчитать, насколько велики должны быть эффекты этой энергии вакуума, но пока эти попытки не увенчались успехом. На самом деле порядок теоретических оценок энергии вакуума, основанных на квантовой механике материи, и величина, необходимая для учета ускорения расширения Вселенной, различаются в невероятный раз, по крайней мере, в 10 9 раз.0147 120 (это 1 со 120 нулями)! Были предложены различные другие теории, но суть в том, что, хотя существуют убедительные доказательства существования темной энергии, мы еще не знаем источник этой энергии.

Какой бы ни оказалась темная энергия, мы должны отметить, что открытие того, что скорость расширения не была постоянной с момента возникновения Вселенной, усложняет вычисление возраста Вселенной. Интересно, что ускорение, похоже, началось не с Большого Взрыва. В течение первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва, когда галактики находились близко друг к другу, гравитация была достаточно сильной, чтобы замедлить расширение. По мере того, как галактики удалялись друг от друга, влияние гравитации ослабевало. Через несколько миллиардов лет после Большого взрыва темная энергия взяла верх, и расширение начало ускоряться (рис. 29)..4).

Рисунок
29,4

Изменения скорости расширения Вселенной с момента ее возникновения 13,8 млрд лет назад.

Чем больше диаграмма простирается по горизонтали, тем быстрее изменяется скорость расширения. После периода очень быстрого расширения в начале, который ученые называют инфляцией и который мы обсудим позже в этой главе, расширение начало замедляться. Галактики тогда были близко друг к другу, и их взаимное гравитационное притяжение замедляло расширение. Через несколько миллиардов лет, когда галактики стали отдаляться друг от друга, влияние гравитации начало ослабевать. Затем темная энергия взяла верх и вызвала ускорение расширения. (кредит: модификация работы Энн Фейлд (STScI))

Замедление работает так, что возраст Вселенной, оцениваемый простым соотношением T0=1/HT0=1/H, кажется старше, чем он есть на самом деле, тогда как ускорение работает, чтобы он казался моложе. По счастливой случайности наши наилучшие оценки того, насколько сильно произошло замедление и ускорение, приводят к ответу для возраста, очень близкого к T0=1/HT0=1/H. Наилучшая текущая оценка состоит в том, что Вселенной 13,8 миллиарда лет с неопределенностью всего около 100 миллионов лет.

На протяжении всей этой главы мы ссылались на Хаббл 9.0045 константа . Теперь мы знаем, что постоянная Хаббла меняется со временем. Однако она постоянна повсюду во Вселенной в любой момент времени. Когда мы говорим, что постоянная Хаббла составляет около 70 километров в секунду/миллион парсеков, мы имеем в виду, что это значение постоянной Хаббла в настоящее время.

Сравнение возрастов

Теперь у нас есть одна оценка возраста Вселенной по ее расширению. Согласуется ли эта оценка с другими наблюдениями? Например, возраст самых старых звезд или других астрономических объектов моложе 13,8 миллиардов лет? В конце концов, Вселенная должна быть не менее старой, чем самые старые объекты в ней.

В нашей и других Галактике самые старые звезды находятся в шаровых скоплениях (рис. 29.5), которые можно датировать с помощью моделей звездной эволюции, описанных в главе «Звезды от юности до старости».

Рисунок
29,5

Шаровое скопление 47 Tucanae.

На этом изображении, полученном космическим телескопом Хаббла НАСА/ЕКА, показано шаровое скопление, известное как 47 Tucanae, поскольку оно находится в созвездии Tucana (Тукан) в южной части неба. Второе по яркости шаровое скопление на ночном небе, оно включает в себя сотни тысяч звезд. Шаровые скопления являются одними из самых старых объектов в нашей Галактике и могут быть использованы для оценки ее возраста. (кредит: НАСА, ЕКА и Наследие Хаббла (STScI/AURA) – ЕКА/Сотрудничество Хаббла)

Точность оценок возраста шаровых скоплений заметно улучшилась в последние годы по двум причинам. Во-первых, были улучшены модели внутренней части звезд шаровых скоплений, в основном за счет более полной информации о том, как атомы поглощают излучение, когда они выходят из центра звезды в космос. Во-вторых, наблюдения со спутников повысили точность наших измерений расстояний до этих скоплений. Вывод состоит в том, что самые старые звезды образовались около 12–13 миллиардов лет назад.

Эта оценка возраста недавно была подтверждена изучением спектра урана в звездах. Изотоп уран-238 радиоактивен и со временем распадается (превращается в другой элемент). (Уран-238 получил свое название, потому что он имеет 92 протона и 146 нейтронов. ) Мы знаем (из того, как звезды и сверхновые звезды производят элементы), сколько урана-238 обычно производится по сравнению с другими элементами. Предположим, мы измеряем количество урана по отношению к нерадиоактивным элементам в очень старой звезде и в нашем собственном Солнце и сравниваем содержание. С помощью этих кусочков информации мы можем оценить, как долго уран распадается в очень старой звезде, потому что мы знаем по нашему собственному Солнцу, сколько урана распадается за 4,5 миллиарда лет.

Линия урана очень слабая, и ее трудно различить даже на Солнце, но теперь она была измерена у одной очень старой звезды с помощью Европейского очень большого телескопа (рис. 29.6). Сравнивая обилие с обилием в Солнечной системе, возраст которой нам известен, астрономы оценивают возраст звезды в 12,5 миллиардов лет с погрешностью около 3 миллиардов лет. Несмотря на то, что неопределенность велика, эта работа является важным подтверждением возраста, оцененного на основе исследований звезд шаровых скоплений.