Спросите Итана: откуда мы знаем, что Вселенной 13,8 миллиарда лет?

Один из самых откровенных фактов о Вселенной заключается в том, что мы действительно знаем, сколько ей лет: 13,8 миллиарда лет. Если бы мы могли сделать шаг назад во времени, мы бы обнаружили, что вселенная, какой мы ее знаем, раньше была совсем другой. Современные звезды и галактики, которые мы видим сегодня, возникли в результате серии гравитационных слияний объектов меньшей массы, состоящих из более молодых и нетронутых звезд. На самых ранних стадиях не было ни звезд, ни галактик. Оглядываясь назад еще дальше, мы приходим к горячему Большому Взрыву. Сегодня астрономы и астрофизики, изучающие раннюю Вселенную, уверенно определяют возраст Вселенной с погрешностью не более ~1% — замечательное достижение, отражающее открытие дня рождения нашей Вселенной.

Но как мы туда попали? Это вопрос Рубена Вилласанте, который хочет знать:

«Как было установлено, что Большой взрыв произошел 13,7 миллиарда лет назад?»

Теперь, прежде чем вы скажете: «О, задающий вопрос говорит 13,7 миллиарда вместо 13,8 миллиарда», знайте, что 13,7 миллиарда — это более ранняя оценка.(Это было предложено после того, как WMAP измерил флуктуации космического микроволнового фона, но до того, как это сделал Planck, так что старое число все еще витает в воздухе, как в головах людей, так и на множестве доступных для поиска веб-страниц и диаграмм.) Тем не менее, у нас есть два пути. измерения возраста Вселенной, и оба они совместимы с этой цифрой. Вот как мы узнаем, сколько времени прошло с момента Большого взрыва.

Способ №1: проследить историю Вселенной

Первый способ, которым мы оцениваем возраст Вселенной, на самом деле самый действенный. Отправная точка восходит к 1920-м годам, когда мы впервые обнаружили расширение Вселенной. В физике, если вы можете раскрыть уравнения, управляющие вашей системой, то есть уравнения, которые говорят вам, как ваша система развивается во времени, тогда все, что вам нужно знать, это то, что эта система делает в любой конкретный момент времени, и вы можете развиваться. это так далеко назад в прошлое или будущее, как вам нравится. Пока законы физики и содержимое вашей системы не изменятся, вы все сделаете правильно.

В астрофизике и космологии правила, управляющие расширяющейся Вселенной, исходят из решения общей теории относительности для Вселенной, которая в среднем заполнена одинаковым количеством «вещества» везде и во всех направлениях. Мы называем такую ​​вселенную одновременно однородной, то есть одинаковой везде, и изотропной, то есть одинаковой во всех направлениях. Уравнения, которые вы получаете, известны как уравнения Фридмана (в честь Александра Фридмана, который первым их вывел), которые существуют уже целых 99 лет: с 1922 года.

Эти уравнения говорят вам, что вселенная, наполненная «материалом», должна либо расширяться, либо сжиматься. То, как скорость расширения (или сжатия) изменяется со временем, зависит только от двух вещей:

1. насколько высока эта скорость в любой момент, например, сегодня
2. чем именно наполнена ваша вселенная в данный конкретный момент

Еще на заре космологии люди шутили, что «космология — это поиск двух чисел», подразумевая, что если бы мы могли сегодня измерить скорость расширения (то, что мы знаем как параметр Хаббла) и то, как скорость расширения изменяется с время (то, что мы назвали параметром замедления, что является ужасным неправильным названием, потому что оно отрицательно; Вселенная ускоряется, а не замедляется), тогда мы сможем точно определить, что находится во Вселенной.

Другими словами, мы могли бы узнать, сколько из них составляет нормальная материя, сколько — темная материя, сколько — излучение, сколько — нейтрино, сколько — темная энергия и т. д. Это очень хороший подход, потому что они просто отражает две стороны уравнения: расширение Вселенной и то, как она изменяется, находятся на одной стороне, а плотность материи и энергии всего — на другой стороне. В принципе, измерение одной части уравнения покажет вам другую.

Затем вы можете взять то, что знаете, и экстраполировать это назад во времени, когда Вселенная была в очень горячем, плотном и малом по объему состоянии, что соответствует самым ранним моментам горячего Большого взрыва. Количество времени, которое требуется вам, чтобы повернуть время вспять — с этого момента до того времени, — говорит вам о возрасте Вселенной.

На практике, однако, мы используем несколько линий доказательств, чтобы все они дополняли друг друга. Соединяя воедино несколько линий доказательств, мы можем составить непротиворечивую картину, объединяющую все эти измерения. Некоторые из них особенно важны.

• Крупномасштабная структура Вселенной говорит нам об общем количестве присутствующей материи, а также о нормальном соотношении материи и темной материи.
• Флуктуации космического микроволнового фона связаны с тем, как быстро Вселенная расширяется, с различными компонентами во Вселенной, включая общую плотность энергии.
• Прямые измерения отдельных объектов, таких как сверхновые типа Ia, на самых разных расстояниях и красных смещениях могут показать нам, какова скорость расширения сегодня, и могут помочь измерить, как скорость расширения изменилась со временем.

В итоге мы получаем картину, согласно которой Вселенная расширяется сегодня со скоростью ~67 км/с/Мпк, состоит на 68% из темной энергии, на 27% из темной материи, на 4,9% из обычной материи и примерно на 0,1% из нейтрино. и менее 0,01% всего остального, такого как излучение, черные дыры, кривизна пространства и любая экзотическая форма энергии, здесь не учтенная.

Сложите эти части воедино — скорость расширения сегодня и различное содержимое Вселенной — и вы получите ответ для возраста Вселенной: 13,8 миллиарда лет. (WMAP дал немного более высокую скорость расширения и вселенную с немного большей темной энергией и немного меньшим количеством темной материи, поэтому они получили свое более раннее, несколько менее точное значение 13,7 миллиарда.)

Однако вы можете удивиться, узнав, что все эти параметры взаимосвязаны. Например, у нас может быть неправильная скорость расширения; это может быть больше похоже на ~ 73 км / с / Мпк, как предпочитают группы, которые используют более поздние измерения расстояния (например, сверхновые), в отличие от ~ 67 км / с / Мпк, полученное ранними методами реликтовых сигналов. (например, космический микроволновый фон и барионные акустические колебания). Сегодня это изменило бы скорость расширения примерно на 9% по сравнению с предпочтительным значением.

Но это не изменит возраст Вселенной на 9%; чтобы соответствовать другим ограничениям, вам придется соответствующим образом изменить содержимое вашей вселенной. Сегодня более быстро расширяющаяся Вселенная требует больше темной энергии и меньшего количества вещества в целом, в то время как гораздо более медленно расширяющаяся Вселенная потребовала бы большой пространственной кривизны, которая не наблюдается.

Хотя мы все еще пытаемся определить эти различные параметры с помощью всех наших комбинированных методов, их взаимосвязь гарантирует, что если один параметр отличается, то ряд других также должен измениться, чтобы оставаться согласованным с полным набором данных. Хотя более быстрое расширение Вселенной допускается, для этого требуется больше темной энергии и меньше общей материи, а это означает, что вселенная в целом будет лишь немного моложе. Точно так же Вселенная могла бы расширяться медленнее, но потребовала бы еще меньше темной энергии, большего количества материи и (для некоторых моделей) значительного искривления пространства.

Вполне возможно, что Вселенная может быть столь же молода, если вы приблизитесь к границе нашей неопределенности, как 13,6 миллиарда лет. Но нет способа получить более молодую вселенную, которая не слишком сильно противоречит данным: за пределами наших планок погрешностей. Точно так же 13,8 миллиарда — это не самый старый возраст, какой только может быть во Вселенной; возможно, 13,9 или даже 14,0 миллиардов лет все еще находятся в пределах возможного, но любой более старый раздвинет границы того, что позволяет космическое микроволновое излучение. Если только мы не сделали где-то неверное предположение — например, что состав Вселенной резко и резко изменился в какой-то момент в далеком прошлом — на самом деле неопределенность в этом значении в 13,8 миллиарда лет для того, «как давно Большой Взрыв случился».

К счастью, мы полагаемся не только на космические аргументы, поскольку есть еще один способ если не измерить, то хотя бы ограничить возраст Вселенной.

Метод №2: измерение возраста самых старых звезд

Вот утверждение, с которым вы, вероятно, согласитесь: «если Вселенной 13,8 миллиарда лет, то лучше не находить в ней звезд старше 13,8 миллиардов лет».

Проблема с этим утверждением заключается в том, что очень и очень сложно определить возраст любой звезды во Вселенной.Конечно, мы многое знаем о звездах: каковы их свойства, когда их ядра впервые зажигают ядерный синтез, как их жизненные циклы зависят от соотношения элементов, с которыми они родились, как долго они живут в зависимости от своей массы и как они эволюционируют по мере того, как они сжигают свое ядерное топливо. Если мы сможем достаточно точно измерить звезду — что мы можем сделать для большинства звезд в пределах нескольких тысяч световых лет в Млечном Пути — тогда мы сможем проследить жизненный цикл звезды до момента ее рождения.

Это правда, но тогда и только тогда, когда эта звезда не подвергалась серьезному взаимодействию или слиянию с другим массивным объектом за свою жизнь. Звезды и звездные трупы могут делать друг другу довольно неприятные вещи. Они могут снимать материал, заставляя звезду выглядеть более или менее развитой, чем она есть на самом деле. Несколько звезд могут сливаться вместе, из-за чего новая звезда кажется моложе, чем она есть на самом деле. И звездные взаимодействия, в том числе взаимодействия с межзвездной средой, могут изменить соотношение элементов, которые мы наблюдаем внутри них, по сравнению с тем, что присутствовало на протяжении большей части их жизни.

Когда мы говорили о Вселенной в целом, нам нужно было указать, что этот подход верен только в отсутствие серьезных резких изменений, которые произошли во Вселенной в прошлом. Точно так же и со звездами мы должны иметь в виду, что мы получаем только моментальный снимок того, как эта звезда ведет себя в течение того времени, в течение которого мы ее наблюдаем: годы, десятилетия или, самое большее, столетия. Но звезды обычно живут миллиарды лет, а это означает, что мы наблюдаем за ними только космическое мгновение.

Таким образом, мы никогда не должны придавать слишком большого значения измерению одной звезды; мы должны осознавать, что любое такое измерение сопряжено с большой неопределенностью. Так называемая звезда Мафусаила, например, очень необычна во многих отношениях. По оценкам, ему примерно 14,5 миллиардов лет, что примерно на 700 миллионов лет старше возраста Вселенной.Но эта оценка сопровождается неопределенностью почти в 1 миллиард лет, а это означает, что она вполне может быть старой, но не новой. слишком старая звезда для наших нынешних оценок.

Вместо этого, если мы хотим сделать более точные измерения, нам нужно посмотреть на самые старые коллекции звезд, которые мы можем найти: шаровые скопления.

Шаровые скопления существуют в каждой большой галактике; некоторые содержат сотни (например, наш Млечный Путь), другие, такие как M87, могут содержать более 10 000. Каждое шаровое скопление представляет собой набор множества звезд, от нескольких десятков тысяч до многих миллионов, и каждая звезда в нем будет иметь цвет и светимость: оба эти свойства легко измерить. Когда мы наносим цвет и звездную величину каждой звезды в шаровом скоплении вместе, мы получаем кривую особой формы, которая извивается из нижнего правого (красный цвет и низкая яркость) в верхний левый (синий цвет и высокая яркость).

Путешествуйте по Вселенной с астрофизиком Итаном Сигелом. Подписчики будут получать информационный бюллетень каждую субботу. Все на борт!