Как мы узнали возраст Вселенной и так ли это важно
Ещё два десятилетия назад ученые предполагали, что возраст Вселенной находится в диапазоне от семи до двадцати миллиардов лет, но сегодня благодаря череде больших открытий и совершенствованию методов исследования мы с точностью заключаем, что Вселенной 13,8 миллиардов лет. Как именно мы выяснили это и имеет ли это какой-то смысл?
Видео об открытии тёмной энергии и ускоренного расширения Вселенной.
Мой телеграм-канал о космологии: t.me/iluniverse.
Следует сказать, что если Вселенная имеет какой-то срок существования, то она когда-то возникла. А возникла она из маленькой плотной точки, которая начала расширяться. Факт расширения Вселенной был зафиксирован Эдвином Хабблом в 1929 году благодаря наблюдению равномерного разбегания галактик. Хаббл заключил, что объекты, находящиеся далеко от нас, убегают от нас быстрее, чем те, что находятся в непосредственной близости с Млечным Путем. Таким образом был сформулирован закон Хаббла, который впоследствии был объяснен теорией Большого взрыва — Вселенная расширяется подобно надувающемуся шарику, поэтому и объекты внутри нее разбегаются друг от друга тем быстрее, чем дальше они находятся. Ранее предполагалось, что Вселенная нединамична и вечна.
Если все галактики когда-то находились в одной точке, а затем разбежались друг от друга, то есть произошел Большой взрыв, то как раз по темпу расширения и можно определить момент, когда они начали это делать. Это можно представить на простой модели: представим две машины, уезжающие друг от друга с общей постоянной скоростью. Зная положение автомобилей друг относительно друга и скорость их движения мы сможем определить время, когда автомобили начали разъезжаться.
Из расширения Вселенной следует разбегание галактик
А как оценить скорость разбегания галактик? По закону Хаббла. Тогда время, прошедшее с Большого взрыва, будет обратно пропорционально темпу расширения, то есть параметру Хаббла. Сам первоооткрыватель определил значение параметра равным 500 км/с/Мпк. То есть галактика, находящаяся на расстоянии в 3,2 млн световых лет, удалялась бы от нас со скоростью 500 км/с. Тогда возраст Вселенной оценили в 2 млрд лет. Но загвоздка заключалась в том, что в начале 20-го века возраст Земли был уже довольно точно измерен и оценивался в 4 млрд лет. Это значило, что темп расширения был подсчитан неверно. К 1990-м годам ученые сузили диапазон возможных значений до 50–90 км/с/Мпк, благодаря чему возраст Вселенной составил бы 7–20 млрд лет, что всё еще было очень грубой оценкой. Главной причиной этого являлось отсутствие объекта, позволяющего явно определить темп расширения.
Для точной оценки темпа расширения необходимо знать два параметра: скорость удаления объекта и расстояние до него. Скорость удаления определяется по смещению линий спектра — чем дольше фотон путешествует по расширяющейся Вселенной, тем больше растягивается его волна. А вот расстояние до объекта определить сложнее, и следует показать это на примере. Возьмем две лампочки одинаковой мощности и потребуем расположить их на разном расстоянии. Пусть первую лампочку повесят в двух метрах от нас, а вторую — подальше, но неизвестно насколько. Выясним, на каком именно расстоянии она находится: для этого определим её светимость и сравним со светимостью первой лампочки. Пусть светимость второй лампочки будет вчетверо меньшей, чем у первой. Тогда по закону обратных квадратов нетрудно будет заключить, что вторая лампочка вдвое дальше первой, то есть находится в четырех метрах от нас. Если найти такие лампочки во Вселенной и оценить расстояние хотя бы до одной из них, то можно будет узнать, где находятся и остальные лампочки.
Проблема заключается в том, что объектов одинаковой яркости во Вселенной не существует… По крайней мере, мы так думали. Но оказалось, что такие объекты всё-таки существуют, пусть они и появляются очень редко и очень ненадолго — это сверхновые типа Ia. Они возникают из двойной системы, когда одна из регулярных звезд превращается в красного гиганта и перебрасывает свою оболочку на вторую звезду. Тогда от первой звезды остается только плотное ядрышко — белый карлик, а вторая звезда сама превращается в красного гиганта. Но карусель продолжается, и красный гигант снова сбрасывает свою оболочку, но уже на белый карлик. Этот плотный объект имеет определенный предел массы, после которого карлик существовать не может — это предел Чандрасекара, равный 1,44 массам Солнца. И случается так, что карлик насыщается материей настолько, что преодолевает этот порог, после чего происходит взрыв, от которого ничего, кроме газопылевого облака, не остается. Во Вселенной это событие отражается ярчайшей вспышкой — самой яркой для точечного объекта.
Нам удалось заключить, что сверхновые типа Ia всегда вспыхивают с одинаковой энергией. Фиксирование SN Ia превращается в коллекционирование одинаковых лампочек, подсчитывая расстояние до которых мы оцениваем темп расширения Вселенной и её возраст. Именно благодаря открытию SN Ia в качестве т.н. стандартной свечи в 1998-м году удалось определить, что Вселенная расширяется не с замедлением, как это логично предполагалось почти 70 лет, а с ускорением, и именно благодаря этому мы убедились в существовании темной энергии. О процессе открытия и о сверхновых типа Ia я рассказываю в своём недавнем видео.
В 1999 году по фотометрическим данным SN Ia параметр Хаббла был оценен в 71 км/с/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 12 млрд лет. Более точные замеры темпа расширения проходят не по стандартным свечам, а по неоднородностям реликтового микроволнового фона (Planck 2018 results). Благодаря ним мы и пришли к выводу, что Вселенной чуть меньше 14 млрд лет.
Сама по себе оценка возраста Вселенной ничего нам не дает. Возраст является следствием других более важных наблюдений, а его значение лишь украшает заголовки новостей. Тем не менее, есть повод подумать: молода ли Вселенная или нет. Как вы думаете?
Благодарю Вас за чтение и приглашаю в свой телеграм-канал: t.me/iluniverse. Подписывайтесь, оценивайте и комментируйте.
