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.
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 дварф, а вторая звезда сама превращается в красного гиганта. Но карусель продолжается, и красный гигант снова сбрасывает свою оболочку, но уже на белый дварф. Этот плотный объект имеет определенный предел массы, после которого дварф существовать не может — это предел Чандрасекара, равный 1,44 массам Солнца. И случается так, что дварф 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.
