Откуда мы знаем возраст Вселенной?
Если вы не занимаетесь астрономией на уверенном уровне, вы наверняка хоть раз задавались вопросом: сколько существует независимых способов измерения возраста Вселенной? Ученые рады были бы сказать, что есть множество линий доказательств, которые указывают на возраст Вселенной в 13,8 миллиарда лет, подобно тому, как есть множество независимых указателей в пользу существования темной материи. Но на самом деле, есть только два хороших свидетельства, и одно лучше другого.
«Хороший» способ узнать возраст Вселенной - изучить тот факт, что она расширяется и остывает, и признать, что в прошлом она была горячее и плотнее. Если мы вернемся в древнейшие времена, мы выясним, что объем Вселенной был меньше, и не только материя была сбита плотнее, но и длины волн отдельных фотонов (частиц света) были короче, поскольку расширение Вселенной растянуло их до нынешней длины.
Поскольку длина волны фотона определяет его энергию и температуру, чем короче длина волны фотона, тем выше его энергия и температура. По мере того как мы будем возвращаться все дальше и дальше во времени, температура будет расти все выше и выше, пока в какой-то момент мы не достигнем самых первых стадий Большого Взрыва.
Это важно, запомним: есть «ранняя стадия» горячего Большого Взрыва.
Если бы у нас была возможность протягивать щуп «бесконечно» в обратном направлении, мы бы достигли сингулярности, в которой известная нам физика не работала бы. В нашем современном понимании самой ранней Вселенной известно, что инфляционному состоянию предшествовал горячий и плотный Большой Взрыв, а инфляционное состояние длилось неопределенное время.
Поэтому когда мы говорим о «возрасте Вселенной», мы говорим о том, сколько времени прошло с тех пор, как Вселенную можно было впервые описать как Большой Взрыв, и до сегодняшнего дня.
Согласно законам общей теории относительности, если у вас будет Вселенная вроде нашей, которая:
- а) с однородной плотностью на крупнейших масштабах;
- б) имеет одни и те же законы и общие свойства во всех местах;
- в) одинакова во всех направлениях и
- г) в которой Большой Взрыв произошел во всех местах одновременно и всюду, то
есть уникальная связь между возрастом Вселенной и ее расширением в процессе творения ее истории.
Другими словами, если бы мы могли измерить расширение Вселенной сегодня и то, как она расширилась за всю свою историю, мы бы точно узнали, какие различные компоненты ее составляют. Мы узнали это из ряда наблюдений, включая:
- Прямые измерения яркости и расстояния до объектов во Вселенной вроде звезд, галактик и сверхновых, которые позволили нам выстроить линейку космических расстояний.
- Измерения крупномасштабной структуры, кластеризации галактик и барионных акустических колебаний.
- Колебания в микроволновом космическом фоне, такой себе «снимок» Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет.
Вы собираете все это воедино и получаете Вселенную, которая сегодня состоит на 68% из темной энергии, на 27% из темной материи, на 4,9% из обычной материи, на 0,1% из нейтрино, на 0,01% из излучения, ну и всякого «по мелочи».
Затем вы смотрите на расширение Вселенной сегодня и экстраполируете его обратно во времени, собирая воедино историю расширения Вселенной, а значит и ее возраст.
Мы получаем цифру - наиболее точно от Планка, однако дополненную другими источниками вроде измерений сверхновых, ключевого проекта HST и Sloan Digital Sky Survey - возраста Вселенной, 13,81 миллиарда лет, плюс-минус 120 миллионов лет. Мы уверены в возрасте Вселенной с 99,1-процентной вероятностью, и это весьма круто.
У нас есть целый ряд различных наборов данных, которые указывают на такой вывод, но они, на деле, получены с помощью одного метода. Нам просто повезло, что есть согласованная картина, все точки которой указывают в одном направлении, но в действительности невозможно точно назвать возраст Вселенной. Все эти точки предлагают разные вероятности, и где-то на пересечении рождается наше мнение относительно возраста нашего мира.
Если бы Вселенная обладала теми же свойствами, но состояла на 100% из обычной материи (то есть без темной материи или темной энергии), нашей Вселенной было бы всего 10 миллиардов лет. Если бы Вселенная состояла из обычной материи на 5% (без темной материи и темной энергии), а постоянная Хаббла составляла бы 50 км/с/Мпк, а не 70 км/с/Мпк, нашей Вселенной было бы 16 миллиардов лет. С комбинацией всего этого, мы почти наверняка можем сказать, что возраст Вселенной - 13,81 миллиарда лет. Выяснить эту цифру - огромный подвиг для науки.
Этот метод выяснения по праву лучший. Он главный, уверенный, наиболее полный и проверен множеством разных улик, указывающих на него. Но есть и другой метод, и он весьма полезен для проверки наших результатов.
Он сводится к тому, что мы знаем, как живут звезды, как они сжигают свое топливо и умирают. В частности, мы знаем, что все звезды, пока живут и прожигают основное топливо (синтезируя гелий из водорода), обладает определенной яркостью и цветом, и остаются при этих специфических показателях конкретный отрезок времени: пока в ядрах не заканчивается топливо.
В этот момент яркие, синие и массивные звезды начинают эволюционировать в гиганты или сверхгиганты.
Глядя на эти точки в скоплении звезд, которые образовались в одно время, мы можем выяснить - если, конечно, знаем принцип работы звезд - возраст звезд в кластере. Глядя на старые шаровые скопления, мы выясняем, что эти звезды чаще всего пришли к жизни примерно 13,2 миллиарда лет назад. (Впрочем, есть небольшие разбегания в миллиард лет).
Возраст в 12 миллиардов лет довольно распространен, но возраст в 14 миллиардов лет и больше - это что-то странное, хотя был период в 90-х, когда возраст в 14-16 миллиардов лет упоминался довольно часто. (Улучшенное понимание звезд и их эволюции существенно занизили эти цифры).
Итак, у нас есть два метода - космической истории и измерения локальных звезд, - которые указывают на то, что возраст нашей Вселенной - 13-14 миллиардов лет. Никого не удивит, если возраст уточнится до 13,6 или даже до 14 миллиардов лет, но вряд ли это будет 13 или 15. Если вас будут спрашивать, говорите, что возраст Вселенной 13,8 миллиарда лет, претензий к вам не будет.
