Сколько лет Вселенной? Наш ответ становится все лучше.

Спустя тысячи лет мы получаем более последовательные оценки возраста.

Чарли Вуд | Опубликовано 2 августа 2021 г., 13:01

Измерение расстояния до различных галактик и скорости, с которой они удаляются друг от друга по мере расширения Вселенной, — это один из способов определить возраст Вселенной. НАСА, ЕКА, Ф. Саммерс, З. Левей, Л. Фраттар, Б. Мобашер, А. Кукемур и группа HUDF (STScI)

ПОДЕЛИТЬСЯ

За миллисекунды Google может предоставить факт, который долгое время ускользал от внимания многих самых глубоких мыслителей человечества: Вселенной почти 14 миллиардов лет — 13,8 миллиарда лет, если быть точным. И многие космологи продолжают все больше доверять этому числу. В конце декабря 2020 года группа исследователей, работающих на Атакамском космологическом телескопе (ACT) в Чили, опубликовала свою новейшую оценку — 13,77 миллиарда лет плюс-минус несколько десятков миллионов лет. Их ответ совпадает с ответом миссии Planck, европейского спутника, который проводил аналогичные наблюдения в период с 2009 по 2013 год.

Точные наблюдения ACT и Planck были сделаны после того, как люди более тысячи лет наблюдали за небом и размышляли, откуда все это могло взяться. Каким-то образом приматы с продолжительностью жизни менее века получили представление о событиях, которые произошли за эоны до того, как их планета — и даже атомы, которые образовали ее планету, — существовали. Вот краткий отчет о том, как человечество пришло к выводу, сколько лет Вселенной.

Античность: начало творения

В каждой культуре есть миф о творении. Вавилоняне, например, верили, что небеса и земля высечены из туши убитого бога.Но лишь немногие системы верований указывали, когда началось существование (одним исключением является индуизм, который учит, что Вселенная обновляется каждые 4,3 миллиарда лет, что не так далеко от фактического возраста Земли).

Идея, которая прижилась, по крайней мере, на западе, исходила от греческих философов, и на самом деле это был своего рода научный шаг назад. В четвертом и третьем веках до нашей эры Платон, Аристотель и другие философы полностью придерживались мнения, что планеты и звезды заключены в вечно вращающихся небесных сферах. В следующем тысячелетии или около того мало кто ожидал, что у Вселенной вообще будет возраст.

1600–1900: конец бесконечности

Астроном Иоганн Кеплер в 1610 году понял, что одной из основных трещин в популярной космологии, вдохновленной греками, все это время было то, что наблюдатели за звездами смотрели прямо в лицо. Если в вечной вселенной находится бесконечное количество звезд, как многие считали, почему все эти звезды не наполняют вселенную ослепляющим светом? Темное ночное небо, рассуждал он, предполагает конечный космос, где звезды в конце концов угасают.

Столкновение между ночным небом и бесконечной Вселенной стало известно как парадокс Ольбера, названный в честь Генриха Ольбера, астронома, который популяризировал его в 1826 году. Ранняя версия современного решения была предложена поэтом Эдгаром Алланом По. Мы переживаем ночь, размышлял он в своей поэме в прозе «Эврика» в 1848 году, потому что вселенная не вечна. Начало было, и с тех пор не прошло достаточно времени, чтобы звезды полностью осветили небо.

1900-е годы: в поле зрения появляются современная и ранняя вселенные

Но разрешение парадокса Ольбера потребовало времени, чтобы вникнуть в суть. Когда собственная теория гравитации Эйнштейна подсказала ему, что Вселенная, вероятно, со временем увеличивается или сжимается в 1917 году, он добавил в свои уравнения ложный фактор — космологическую постоянную — чтобы заставить Вселенную замри (позволяя ему длиться вечно).

Между тем, более крупные телескопы позволили астрономам увидеть более четкие изображения других галактик, что вызвало ожесточенные споры о том, смотрят ли они на далекие «островные вселенные» или на близлежащие звездные скопления внутри Млечного Пути. Острые глаза Эдвина Хаббла разрешили этот спор в конце 1920-х годов, впервые измерив межгалактические расстояния. Он обнаружил, что галактики не только огромные и далекие объекты, но и разлетаются друг от друга.

Вселенная расширялась, и Хаббл зафиксировал скорость ее расширения на уровне 500 километров в секунду на мегапарсек — постоянная величина, которая теперь носит его имя. С расширением Вселенной у астрономов появился новый мощный инструмент, чтобы оглянуться назад во времени и определить, когда космос начал расти. Работа Хаббла в 1929 году показала, что Вселенная расширяется таким образом, что ей должно быть примерно 2 миллиарда лет.

«Скорость расширения говорит вам, как быстро вы можете перемотать историю Вселенной, как старую видеокассету», — говорит Дэниел Сколник, космолог из Университета Дьюка. «Если темп перемотки быстрее, значит, фильм короче».

Но измерение расстояний до далеких галактик — дело грязное. Более чистый метод появился в 1965 году, когда исследователи обнаружили слабое потрескивание микроволн, исходящих со всех направлений в космосе. Космологи уже предсказали, что такой сигнал должен существовать, поскольку свет, излученный всего через сотни тысяч лет после рождения Вселенной, растянулся бы из-за расширения пространства на более длинные микроволны. Измеряя характеристики этого космического микроволнового фона (CMB), астрономы могли бы сделать своего рода снимок молодой Вселенной, сделав вывод о ее раннем размере и содержании. Реликтовое излучение служило неопровержимым доказательством того, что космос имел начало.

«Самое главное, что было достигнуто благодаря окончательному открытию реликтового излучения в 1965 году, — это заставить всех нас серьезно отнестись к идее существования ранней Вселенной», — писал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг в своей книге 1977 года «Первые три минуты». .

1990 г. по настоящее время: уточнение расчета

Реликтовое излучение позволило космологам получить представление о том, насколько большой была Вселенная в ранний момент времени, что помогло им рассчитать ее размер и расширение сегодня. Сколник сравнивает этот процесс с обнаружением руки ребенка длиной в один фут на детской фотографии, а затем с оценкой роста и скорости роста соответствующего подростка. Этот метод дал исследователям новый способ измерения текущей скорости расширения Вселенной. Оказалось, что он почти в десять раз медленнее, чем хаббловские 500 километров в секунду на мегапарсек, отодвигая момент космического генезиса еще дальше во времени. В 1990-х годах оценки возраста колебались от 7 до 20 миллиардов лет.

Кропотливые усилия нескольких команд стремились уточнить наилучшую космологическую оценку скорости расширения Вселенной. Наблюдения за галактиками с помощью космического телескопа Хаббла в 1993 году показали, что текущая постоянная Хаббла составляет 71 километр в секунду на мегапарсек, что сузило возраст Вселенной до 9–14 миллиардов лет.

Затем в 2003 году космический аппарат WMAP записал карту реликтового излучения с прекрасными характеристиками. С помощью этих данных космологи подсчитали, что возраст Вселенной составляет от 13,5 до 13,9 миллиардов лет. Примерно десять лет спустя спутник Planck измерил реликтовое излучение еще более подробно, получив постоянную Хаббла 67,66 и возраст 13,8 миллиарда лет. Новые независимые измерения реликтового излучения от ACT получили в основном те же цифры, что еще больше укрепило уверенность космологов в том, что они знают, что делают.

«Теперь мы нашли ответ, в котором Планк и ACT согласны», — сказала в пресс-релизе Симона Айола, космолог из Института Флэтайрон и член коллаборации ACT.«Это говорит о том, что эти сложные измерения надежны».

Далее: космологический конфликт

Но по мере того, как измерения ранней и современной вселенных становились более точными, они начали расходиться. В то время как исследования, основанные на изображении младенца реликтового излучения, предполагают, что постоянная Хаббла составляет высокие 60 километров в секунду на мегапарсек, измерения расстояний до сегодняшних галактик (которые Сколник сравнивает с космическим «селфи») дают более высокие скорости расширения в диапазоне от низких до средних 70-х. Сколник участвовал в одном таком обзоре в 2019 году, а другое измерение, основанное на яркости различных галактик, пришло к аналогичному выводу (о том, что современная Вселенная быстро расширяется) в январе 2021 года.

Если принять за чистую монету, более высокие темпы, которые получают эти команды, могут означать, что Вселенная на самом деле примерно на миллиард лет моложе, чем канонические 13,8 миллиарда лет от Planck и ACT.

Или это несоответствие может указывать на то, что в космологической картине реальности отсутствует что-то более глубокое. Связь реликтового излучения с сегодняшним днем ​​включает предположения о плохо изученной темной материи и темной энергии, которые, по-видимому, доминируют в нашей Вселенной, например, и тот факт, что измерения постоянной Хаббла не совпадают, может указывать на то, что расчет истинного возраста Вселенная будет включать в себя больше, чем просто перемотка ленты.

«Я не уверен в том, как мы определяем возраст Вселенной, — говорит Сколник. «Я не говорю, что это неправильно, но я не могу сказать, что это правильно».

Чарли — журналист, освещающий события в области физических наук как на планете, так и за ее пределами. В дополнение к Популярная наука, его работа появилась в Журнал Кванта, Научный американец, Христианский научный монитор, и другие публикации. Ранее он преподавал физику и английский язык в Мозамбике и Японии, а также изучал физику в Университете Брауна. Посмотреть его сайт можно здесь.