Сколько лет Вселенной?29.11.2017 09:05

Алексей Левин

29 ноября 2017 09:00

Обсудить 0

Мудрецы Вавилона и Греции считали мироздание вечным и неизменным, а индуистские хронисты в 150 году до н.э. определили, что ему в точности 1 972 949 091 год (кстати, по порядку величины они не сильно ошиблись!). В 1642 году английский теолог Джон Лайтфут путем скрупулезного анализа библейских текстов вычислил, что сотворение мира пришлось на 3929 год до н.э.; спустя несколько лет ирландский епископ Джеймс Ашер передвинул его на 4004 год. Основатели современной науки Иоганн Кеплер и Исаак Ньютон тоже не прошли мимо этой темы. Хотя они апеллировали не только к Библии, но и к астрономии, их результаты оказались похожими на вычисления богословов — 3993 и 3988 годы до н.э. В наше просвещенное время возраст Вселенной определяют иными способами. Чтобы увидеть их в исторической проекции, поначалу взглянем на собственную планету и ее космическое окружение.

Астрономы детально изучили раннюю биографию Вселенной. Но относительно ее точного возраста у них были сомнения, которые удалось развеять только в последние пару десятков лет.

Гадание по камням

Со второй половины XVIII века ученые начали оценивать возраст Земли и Солнца на основе физических моделей. Так, в 1787 году французский натуралист Жорж-Луи Леклерк пришел к выводу, что, если бы наша планета при рождении была шаром из расплавленного железа, ей нужно было бы от 75 до 168 тысяч лет, чтобы остыть до нынешней температуры. Через 108 лет ирландский математик и инженер Джон Перри заново просчитал тепловую историю Земли и определил ее возраст в 2−3 млрд лет. В самом начале XX столетия лорд Кельвин пришел к выводу, что если Солнце постепенно сжимается и светит исключительно за счет высвобождения гравитационной энергии, то его возраст (и, следовательно, максимальный возраст Земли и остальных планет) может составить несколько сотен миллионов лет. Но в то время геологи не смогли ни подтвердить, ни опровергнуть эти оценки из-за отсутствия надежных методов геохронологии.

В середине первого десятилетия ХХ века Эрнест Резерфорд и американский химик Бертрам Болтвуд разработали основы радиометрической датировки земных пород, которая показала, что Перри был много ближе к истине. В 1920-х были найдены образцы минералов, чей радиометрический возраст приближался к 2 млрд лет. Позднее геологи не раз повышали эту величину, и к настоящему времени она выросла более чем вдвое — до 4,4 млрд. Дополнительные данные предоставляет исследование «небесных камней» — метеоритов. Почти все радиометрические оценки их возраста укладываются в интервал 4,4−4,6 млрд лет.

Современная гелиосейсмология позволяет непосредственно определить и возраст Солнца, который, по последним данным, составляет 4,56 — 4,58 млрд лет. Поскольку продолжительность гравитационной конденсации протосолнечного облака исчислялась всего лишь миллионами лет, можно уверенно утверждать, что от начала этого процесса до наших дней прошло не более 4,6 млрд лет. При этом солнечное вещество содержит множество элементов тяжелее гелия, которые образовались в термоядерных топках массивных звезд прежних поколений, выгоревших и взорвавшихся сверхновыми. Это означает, что протяженность существования Вселенной сильно превышает возраст Солнечной системы. Чтобы определить меру этого превышения, нужно выйти сначала в нашу Галактику, а затем и за ее пределы.

Следуя за белыми карликами

Время жизни нашей Галактики можно определять разными способами, но мы ограничимся двумя самыми надежными. Первый метод основан на мониторинге свечения белых карликов. Эти компактные (примерно с Землю величиной) и изначально очень горячие небесные тела представляют собой конечную стадию жизни практически всех звезд за исключением самых массивных. Для превращения в белый карлик звезда должна полностью сжечь все свое термоядерное топливо и претерпеть несколько катаклизмов — например, на какое-то время стать красным гигантом.

Типичный белый карлик почти полностью состоит из ионов углерода и кислорода, погруженных в вырожденный электронный газ, и имеет тонкую атмосферу, в составе которой доминируют водород или гелий. Его поверхностная температура составляет от 8 000 до 40 000 К, в то время как центральная зона нагрета до миллионов и даже десятков миллионов градусов. Согласно теоретическим моделям, могут также рождаться карлики, состоящие преимущественно из кислорода, неона и магния (в которые при определенных условиях превращаются звезды с массой от 8 до 10,5 или даже до 12 солнечных масс), однако их существование еще не доказано. Теория также утверждает, что звезды, как минимум вдвое уступающие Солнцу по массе, заканчивают жизнь в виде гелиевых белых карликов. Такие звезды очень многочисленны, однако они сжигают водород крайне медленно и посему живут многие десятки и сотни миллионов лет. Пока что им просто не хватило времени, чтоб исчерпать водородное горючее (очень немногочисленные гелиевые карлики, обнаруженные к настоящему времени, обитают в двойных системах и возникли совсем другим путем).

Коль скоро белый карлик не может поддерживать реакции термоядерного синтеза, он светит за счет накопленной энергии и потому медленно остывает. Темпы этого охлаждения можно вычислить и на этой основе определить время, потребное для снижения температуры поверхности от первоначальной (для типичного карлика это примерно 150 000 К) до наблюдаемой. Поскольку нас интересует возраст Галактики, следует искать самые долгоживущие, а потому и самые холодные белые карлики. Современные телескопы позволяют обнаружить внутригалактические карлики с температурой поверхности менее 4000 К, светимость которых в 30 000 раз уступает солнечной. Пока они не найдены — либо их нет вообще, либо очень мало. Отсюда следует, что наша Галактика не может быть старше 15 млрд лет, иначе они бы присутствовали в заметных количествах.

Для датирования горных пород используется анализ содержания в них продуктов распада различных радиоактивных изотопов. В зависимости от типа пород и сроков датирования используются различные пары изотопов.

Это верхняя граница возраста. А что можно сказать о нижней? Самые холодные из ныне известных белых карликов были зарегистрированы космическим телескопом «Хаббл» в 2002 и 2007 годах. Вычисления показали, что их возраст составляет 11,5 — 12 млрд лет. К этому еще нужно добавить возраст звезд-предшественниц (от полумиллиарда до миллиарда лет). Отсюда следует, что Млечный Путь никак не моложе 13 млрд лет. Так что окончательная оценка его возраста, полученная на основе наблюдения белых карликов, — примерно 13 — 15 млрд лет.

Шаровые свидетельства

Второй метод основан на исследовании шарообразных звездных скоплений, находящихся в периферийной зоне Млечного Пути и обращающихся вокруг его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных взаимным притяжением.

Шаровые скопления имеются практически во всех крупных галактиках, причем их количество порой достигает многих тысяч. Новые звезды там практически не рождаются, зато пожилые светила присутствуют в избытке. В нашей Галактике зарегистрировано около 160 таких шаровых скоплений, и, возможно, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не вполне ясны, однако, вероятнее всего, многие из них возникли вскоре после рождения самой Галактики. Поэтому датировка формирования древнейших шаровых скоплений позволяет установить и нижнюю границу галактического возраста.

Такая датировка весьма сложна технически, но в основе ее лежит очень простая идея. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного итого же газового облака и потому рождаются практически одновременно. С течением времени они выжигают основные запасы водорода — одни раньше, другие позже. На этой стадии звезда покидает главную последовательность и претерпевает серию превращений, которые завершаются либо полным гравитационным коллапсом (за которым следует формирование нейтронной звезды или черной дыры), либо возникновением белого карлика. Поэтому изучение состава шарового скопления позволяет достаточно точно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно составить не менее нескольких десятков.

Такую работу три года назад выполнила команда астрономов, пользовавшихся камерой ACS (Advanvced Camera for Survey) космического телескопа «Хаббл». Мониторинг 41 шарового скопления нашей Галактики показал, что их средний возраст составляет 12,8 млрд лет. Рекордсменами оказались скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет. Они почти наверняка не моложе 13 млрд лет, причем наиболее вероятное время жизни второго скопления -13,4 млрд лет (правда, с погрешностью плюс-минус миллиард).

Звезды массы порядка солнечной по мере исчерпания запасов водорода разбухают и переходят в категорию красных карликов, после чего их гелиевое ядро при сжатии разогревается и начинается горение гелия. Через некоторое время звезда сбрасывают оболочку, образуя планетарную туманность, а потом переходит в категорию белых карликов и далее остывает.

Однако же наша Галактика должна быть постарше своих скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, в частности, ядра стабильного изотопа бериллия-бериллия-9. Когда начали формироваться шаровые скопления, их новорожденные звезды уже содержали бериллий, причем тем больше, чем позже они возникли. По содержанию бериллия в их атмосферах можно выяснить, насколько скопления моложе Галактики. Как свидетельствуют данные по скоплению NGC 6937, эта разница составляет 200 — 300 млн лет. Так что без большой натяжки можно сказать, что возраст Млечного Пути превышает 13 млрд лет и, возможно, достигает 13,3 — 13,4 млрд. Это практически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но получена она совершенно иным способом.

Закон Хаббла

Научная постановка вопроса о возрасте Вселенной стала возможной лишь в начале второй четверти прошлого века. В конце 1920-х годов Эдвин Хаббл и его ассистент Милтон Хьюмасон занялись уточнением расстояний до десятков туманностей за пределами Млечного Пути, которые лишь несколькими годами ранее стали считать самостоятельными галактиками.

Эти галактики удаляются от Солнца с радиальными скоростями, которые были измерены по величине красного смещения их спектров. Хотя дистанции до большинства таких галактик удалось определить с большой погрешностью, Хаббл все же выяснил, что они примерно пропорциональны радиальным скоростям, о чем и написал в статье, опубликованной в начале 1929 года. Два года спустя Хаббл и Хьюмасон подтвердили этот вывод на основании результатов наблюдений других галактик — некоторые из них отдалены более чем на 100 млн световых лет.

Эти данные легли в основу прославленной формулы v=H0d, известной как закон Хаббла. Здесь v — радиальная скорость галактики по отношению к Земле, d — расстояние, H0 — коэффициент пропорциональности, чья размерность, как легко видеть, обратна размерности времени (раньше его называли постоянной Хаббла, что неверно, поскольку в предшествующие эпохи величина H0 была иной, чем в наше время). Сам Хаббл и еще многие астрономы долгое время отказывались от предположений о физическом смысле этого параметра. Однако Жорж Леметр еще в 1927 году показал, что общая теория относительности позволяет интерпретировать разлет галактик как свидетельство расширения Вселенной. Четырьмя годами позже он имел смелость довести этот вывод до логического конца, выдвинув гипотезу, что Вселенная возникла из практически точечного зародыша, который он, за неимением лучшего термина, назвал атомом. Этот первородный атом мог пребывать в статичном состоянии любое время вплоть до бесконечности, однако его «взрыв» породил расширяющееся пространство, заполненное материей и излучением, которое за конечное время дало начало нынешней Вселенной. Уже в своей первой статье Леметр вывел полный аналог хаббловской формулы и, располагая известными к тому времени данными о скоростях и дистанциях ряда галактик, получил примерно такое же значение коэффициента пропорциональности между дистанциями и скоростями, что и Хаббл. Однако его статья была напечатана на французском языке в малоизвестном бельгийском журнале и поначалу осталась незамеченной. Большинству астрономов она стала известна лишь в 1931 году после публикации ее английского перевода.

Эволюция Вселенной определяется начальной скоростью ее расширения, а также воздействием гравитации (в том числе темной материи) и антигравитации (темной энергии). В зависимости от соотношения между этим факторами график размера Вселенной имеет разную форму и в будущем, и в прошлом, что влияет на оценку ее возраста. Текущие наблюдения показывают, что Вселенная расширяется экспоненциально (красный график).

Хаббловское время

Из этой работы Леметра и более поздних трудов как самого Хаббла, так и других космологов прямо следовало, что возраст Вселенной (естественно, отсчитанный от начального момента ее расширения) зависит от величины 1/H0, которую теперь называют хаббловским временем. Характер этой зависимости определяется конкретной моделью мироздания. Если считать, что мы живем в плоской Вселенной, заполненной гравитирующим веществом и излучением, то для вычисления ее возраста 1/H0 надо умножить на 2/3.

Тут-то и возникла загвоздка. Из измерений Хаббла и Хьюмасона вытекало, что численная величина 1/H0 приблизительно равна 1,8 млрд лет. Отсюда следовало, что Вселенная родилась 1,2 млрд лет назад, что явно противоречило даже сильно заниженным в то время оценкам возраста Земли. Из этого затруднения можно было выпутаться, предположив, что галактики разлетаются медленнее, чем считал Хаббл. Со временем это допущение подтвердилось, но проблемы так и не решило. Согласно данным, полученным к концу прошлого века с помощью оптической астрономии, 1/H0 составляет от 13 до 15 млрд лет. Так что расхождение все же оставалось, поскольку пространство Вселенной как считалось, так и считается плоским, а две трети хаббловского времени сильно меньше даже самых скромных оценок возраста Галактики.

В общем виде это противоречие было устранено в 1998 — 1999 годах, когда две команды астрономов доказали, что последние 5 — 6 млрд лет космическое пространство расширяется не с падающей, а возрастающей скоростью. Это ускорение обычно объясняют тем, что в нашей Вселенной растет влияние антигравитационного фактора, так называемой темной энергии, плотность которой не изменяется со временем. Поскольку плотность гравитирующей материи падает по мере расширения Космоса, темная энергия все успешней конкурирует с тяготением. Продолжительность существования Вселенной с антигравитационной компонентой вовсе не обязана быть равной двум третям хаббловского времени. Поэтому открытие ускоряющегося расширения Вселенной (отмеченное в 2011 году Нобелевской премией) позволило устранить расстыковку между космологическими и астрономическими оценками времени ее жизни. Оно также стало прелюдией к разработке нового метода датировки ее рождения.

Космические ритмы

30 июня 2001 года NASA отправило в космос зонд Explorer 80, через два года переименованный в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Его аппаратура позволила регистрировать температурные флуктуации микроволнового реликтового излучения с угловым разрешением менее трех десятых градуса. Тогда уже было известно, что спектр этого излучения почти полностью совпадает со спектром идеального черного тела, нагретого до 2,725 К, а колебания его температуры при «крупнозернистых» измерениях с угловым разрешением в 10 градусов не превышают 0,000036 К. Однако на «мелкозернистой» шкале зонда WMAP амплитуды таких флуктуаций были в шесть раз больше (около 0,0002 К). Реликтовое излучение оказалось пятнистым, тесно испещренным чуть более и чуть менее нагретыми участками.

Флуктуации реликтового излучения порождены колебаниями плотности электронно-фотонного газа, который некогда заполнял космическое пространство. Она упала почти до нуля приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда практически все свободные электроны соединились с ядрами водорода, гелия и лития и тем самым положили начало нейтральным атомам. Пока этого не произошло, в электронно-фотонном газе распространялись звуковые волны, на которые влияли гравитационные поля частиц темной материи. Эти волны, или, как говорят астрофизики, акустические осцилляции, наложили отпечаток на спектр реликтового излучения. Этот спектр можно расшифровать при помощи теоретического аппарата космологии и магнитной гидродинамики, что дает возможность по‑новому оценить возраст Вселенной. Как показывают новейшие вычисления, его наиболее вероятная протяженность составляет 13,72 млрд лет. Она и считается сейчас стандартной оценкой времени жизни Вселенной. Если принять во внимание все возможные неточности, допуски и приближения, можно заключить, что, согласно результатам зонда WMAP, Вселенная существует от 13,5 до 14 млрд лет.

Таким образом, астрономы, оценивая возраст Вселенной тремя различными способами, получили вполне совместимые результаты. Поэтому теперь мы знаем (или, выражаясь осторожней, думаем, что знаем), когда возникло наше мироздание — во всяком случае, с точностью до нескольких сотен миллионов лет. Вероятно, потомки внесут решение этой вековой загадки в перечень самых замечательных достижений астрономии и астрофизики.