В физической космологии возраст Вселенной — это время , прошедшее с момента Большого Взрыва . Астрономы вывели два различных измерения возраста Вселенной : [ 1] измерение, основанное на прямых наблюдениях раннего состояния Вселенной, которые указывают на возраст13,787 ± 0,020 миллиарда лет, интерпретируемых с помощью модели согласования Лямбда-CDM по состоянию на 2021 год; [2] и измерение, основанное на наблюдениях за локальной современной Вселенной, которые предполагают более молодой возраст. [3] [4] [5] Неопределенность первого вида измерений была сужена до 20 миллионов лет на основе ряда исследований, которые все показывают схожие цифры для возраста. Эти исследования включают исследования микроволнового фонового излучения космическим аппаратом Planck , зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона и другими космическими зондами. Измерения космического фонового излучения дают время остывания Вселенной с момента Большого взрыва, [6] а измерения скорости расширения Вселенной могут быть использованы для расчета ее приблизительного возраста путем экстраполяции назад во времени. Диапазон оценки также находится в пределах диапазона оценки для самой старой наблюдаемой звезды во Вселенной.
В 18 веке начала появляться концепция, что возраст Земли составляет миллионы, если не миллиарды лет. Тем не менее, большинство ученых на протяжении 19 века и в первые десятилетия 20 века предполагали, что сама вселенная находится в устойчивом состоянии и вечна, возможно, со звездами, появляющимися и исчезающими, но без каких-либо изменений, происходящих в самых больших масштабах, известных в то время. [7]
Первые научные теории, указывающие на то, что возраст Вселенной может быть конечным, были исследованиями термодинамики , формализованными в середине 19 века. Концепция энтропии гласит, что если бы Вселенная (или любая другая замкнутая система) была бесконечно старой, то все внутри нее имело бы одинаковую температуру, и, таким образом, не было бы ни звезд, ни жизни. В то время не было выдвинуто никакого научного объяснения этого противоречия.
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности [8] и в 1917 году построил первую космологическую модель, основанную на его теории. Чтобы оставаться согласованным с стационарной Вселенной, Эйнштейн добавил в свои уравнения то, что позже было названо космологической постоянной . Модель Эйнштейна статической Вселенной была доказана Артуром Эддингтоном как нестабильная .
Первый прямой наблюдательный намек на то, что Вселенная не статична, а расширяется, пришел из наблюдений « скоростей разбегания », в основном Весто М. Слайфера , в сочетании с расстояниями до « туманностей » ( галактик ) Эдвина Хаббла в работе, опубликованной в 1929 году . [9] Ранее в 20 веке Хаббл и другие разрешили отдельные звезды внутри определенных туманностей, таким образом определив, что они были галактиками, похожими на Млечный Путь, но внешними по отношению к нему . Кроме того, эти галактики были очень большими и очень далекими. Спектры, полученные от этих далеких галактик, показали красное смещение в их спектральных линиях , предположительно вызванное эффектом Доплера , таким образом указывая на то, что эти галактики удаляются от Земли. Кроме того, чем дальше казались эти галактики (чем тусклее они казались), тем больше было их красное смещение, и, таким образом, тем быстрее они, казалось, удалялись. Это было первое прямое доказательство того, что Вселенная не статична, а расширяется. Первая оценка возраста Вселенной была получена на основе расчета того, когда все объекты должны были начать ускоряться из одной и той же точки. Первоначальное значение возраста Вселенной, полученное Хабблом, было очень низким, поскольку предполагалось, что галактики находятся гораздо ближе, чем это показали более поздние наблюдения.
Первое достаточно точное измерение скорости расширения Вселенной, численное значение, теперь известное как постоянная Хаббла , было сделано в 1958 году астрономом Алланом Сэндиджем . [11] Измеренное им значение постоянной Хаббла оказалось очень близким к диапазону значений, общепринятых сегодня.
Сэндидж, как и Эйнштейн, не верил в свои собственные результаты во время открытия. [ необходима цитата ] Сэндидж предложил новые теории космогонии, чтобы объяснить это несоответствие. Этот вопрос был более или менее решен путем усовершенствования теоретических моделей, используемых для оценки возраста звезд. По состоянию на 2024 год, используя новейшие модели звездной эволюции, предполагаемый возраст самой старой известной звезды составляет13,8 ± 4 миллиарда лет. [12]
Открытие космического микроволнового фонового излучения , объявленное в 1965 году [13] , наконец, положило конец оставшейся научной неопределенности относительно расширяющейся Вселенной. Это был случайный результат работы двух команд, находящихся менее чем в 60 милях друг от друга. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон пытались обнаружить радиоволновые эхо с помощью сверхчувствительной антенны. Антенна постоянно обнаруживала низкий, устойчивый, таинственный шум в микроволновой области , который был равномерно распределен по небу и присутствовал днем и ночью. После тестирования они убедились, что сигнал исходил не от Земли , Солнца или галактики Млечный Путь , а из-за пределов Млечного Пути, но не могли объяснить это. В то же время другая команда, Роберт Х. Дике , Джим Пиблз и Дэвид Уилкинсон , пытались обнаружить низкоуровневый шум, который мог остаться от Большого взрыва и мог бы доказать, верна ли теория Большого взрыва. Две команды поняли, что обнаруженный шум на самом деле был излучением, оставшимся от Большого взрыва, и что это было весомым доказательством того, что теория верна. С тех пор множество других доказательств укрепили и подтвердили этот вывод и уточнили предполагаемый возраст Вселенной до его нынешнего значения.
Космические зонды WMAP, запущенный в 2001 году, и Planck , запущенный в 2009 году, предоставили данные, которые определяют постоянную Хаббла и возраст Вселенной независимо от расстояний между галактиками, устраняя тем самым самый большой источник ошибок. [14]
Модель согласования Lambda-CDM описывает эволюцию Вселенной от очень однородного, горячего, плотного изначального состояния до ее нынешнего состояния в течение примерно 13,77 миллиардов лет [15] космологического времени . Эта модель хорошо понята теоретически и убедительно подкреплена недавними высокоточными астрономическими наблюдениями, такими как WMAP . Напротив, теории происхождения изначального состояния остаются весьма спекулятивными.
Если экстраполировать модель Lambda-CDM назад от самого раннего хорошо понятого состояния, она быстро (в течение небольшой доли секунды) достигает сингулярности . Это известно как « начальная сингулярность » или « сингулярность Большого взрыва ». Эта сингулярность не понимается как имеющая физическое значение в обычном смысле, но удобно ссылаться на время, измеренное «с момента Большого взрыва», даже если оно не соответствует времени, которое на самом деле можно физически измерить.
Хотя теоретически Вселенная может иметь более длительную историю, Международный астрономический союз в настоящее время использует термин «возраст Вселенной» для обозначения продолжительности расширения Лямбда-CDM [16] или, что эквивалентно, времени, прошедшего в пределах наблюдаемой в настоящее время Вселенной с момента Большого взрыва.
В июле 2023 года исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, установило возраст Вселенной в 26,7 миллиарда лет. [17] [18] Автор Раджендра Гупта демонстрирует новую модель , которая растягивает время формирования галактики на несколько миллиардов лет, что приводит к выводу, что возраст Вселенной примерно в два раза больше, чем предполагалось. [17] [18] Используя теорию усталого света Цвикки и «константы связи», описанные Полем Дираком , Гупта пишет, что недавние наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба находятся в сильном противоречии с существующими космологическими моделями. [17] Гупта говорит о своей новой теории: «Таким образом, она решает проблему «невозможной ранней галактики», не требуя существования первичных семян черных дыр или измененного спектра мощности». [17]
Поскольку Вселенная должна быть по крайней мере такой же старой, как и самые старые вещи в ней, существует ряд наблюдений, которые устанавливают нижний предел возраста Вселенной; [19] [20] к ним относятся
Проблема определения возраста Вселенной тесно связана с проблемой определения значений космологических параметров. Сегодня это в значительной степени осуществляется в контексте модели ΛCDM , где предполагается, что Вселенная содержит обычную (барионную) материю, холодную темную материю , излучение (включая как фотоны , так и нейтрино ) и космологическую постоянную .
Долевой вклад каждого из них в текущую плотность энергии Вселенной определяется параметрами плотности и Полная модель ΛCDM описывается рядом других параметров, но для вычисления ее возраста эти три параметра, наряду с параметром Хаббла , являются наиболее важными.
Если у вас есть точные измерения этих параметров, то возраст Вселенной можно определить с помощью уравнения Фридмана . Это уравнение связывает скорость изменения масштабного фактора с содержанием материи во Вселенной. Перевернув это соотношение, мы можем вычислить изменение времени на изменение масштабного фактора и, таким образом, вычислить общий возраст Вселенной, интегрируя эту формулу. Затем возраст задается выражением вида
где — параметр Хаббла, а функция зависит только от дробного вклада в энергетическое содержание Вселенной, которое исходит от различных компонентов. Первое наблюдение, которое можно сделать из этой формулы, заключается в том, что именно параметр Хаббла контролирует возраст Вселенной, с поправкой, возникающей из-за содержания материи и энергии. Таким образом, грубая оценка возраста Вселенной происходит из времени Хаббла , обратного параметру Хаббла. При значении около69 км/с/Мпк , время Хаббла оценивается как14,5 миллиардов лет. [21]
Чтобы получить более точное число, необходимо вычислить функцию коррекции. В общем случае это должно быть сделано численно, и результаты для диапазона значений космологических параметров показаны на рисунке. Для значений Планка (0,3086, 0,6914), показанных рамкой в верхнем левом углу рисунка, этот поправочный коэффициент составляет около Для плоской Вселенной без какой-либо космологической постоянной, показанной звездой в нижнем правом углу, намного меньше, и, таким образом, Вселенная моложе для фиксированного значения параметра Хаббла. Чтобы сделать эту цифру, поддерживается постоянным (примерно эквивалентно поддержанию постоянной температуры космического микроволнового фона ), а параметр плотности кривизны фиксируется значением трех других.
Помимо спутника Planck, зонд Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ( WMAP ) сыграл важную роль в установлении точного возраста Вселенной, хотя для получения точного числа необходимо объединить и другие измерения. Измерения CMB очень хороши для ограничения содержания материи [22] и параметра кривизны [23]. Он не так чувствителен к непосредственному [23] отчасти потому, что космологическая постоянная становится важной только при низком красном смещении. В настоящее время считается, что наиболее точные определения параметра Хаббла получены из измеренных яркостей и красных смещений далеких сверхновых типа Ia . Объединение этих измерений приводит к общепринятому значению возраста Вселенной, указанному выше.
Космологическая постоянная делает вселенную «старше» при фиксированных значениях других параметров. Это важно, поскольку до того, как космологическая постоянная стала общепринятой, модель Большого взрыва с трудом объясняла, почему шаровые скопления в Млечном Пути казались намного старше возраста Вселенной, рассчитанного с помощью параметра Хаббла и Вселенной, состоящей только из материи. [24] [25] Введение космологической постоянной позволяет Вселенной быть старше этих скоплений, а также объясняет другие особенности, которые не могла объяснить космологическая модель, состоящая только из материи. [26]
Данные, опубликованные в 2012 году в рамках проекта NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) за девять лет, показали, что возраст Вселенной составляет(13,772 ± 0,059) × 10 9 лет (13,772 миллиарда лет, с неопределенностью плюс-минус 59 миллионов лет). [6]
Этот возраст основан на предположении, что базовая модель проекта верна; другие методы оценки возраста Вселенной могут дать другие возрасты. Например, предположение о дополнительном фоне релятивистских частиц может увеличить планки погрешностей ограничения WMAP на один порядок величины. [27]
Это измерение выполняется с использованием местоположения первого акустического пика в спектре мощности микроволнового фона для определения размера поверхности развязки (размера Вселенной во время рекомбинации). Время прохождения света до этой поверхности (в зависимости от используемой геометрии) дает надежный возраст Вселенной. Предполагая обоснованность моделей, используемых для определения этого возраста, остаточная точность дает погрешность около одного процента. [14]
В 2015 году команда ученых из Планка оценила возраст Вселенной в13,813 ± 0,038 млрд лет, что немного выше, но в пределах неопределенности более раннего числа, полученного из данных WMAP. [28]
В таблице ниже цифры находятся в пределах доверительного интервала 68% для базовой модели ΛCDM .
Легенда:
В 2018 году исследовательская группа Planck обновила свою оценку возраста Вселенной, чтобы13,787 ± 0,020 млрд лет. [2]
Расчет возраста Вселенной является точным только в том случае, если предположения, заложенные в модели, используемые для его оценки, также точны. Это называется сильными априорными данными и по сути подразумевает удаление потенциальных ошибок в других частях модели, чтобы сделать точность фактических наблюдательных данных непосредственно в конечном результате. Таким образом, указанный возраст является точным с учетом указанной ошибки, поскольку это представляет собой ошибку в инструменте, используемом для сбора необработанных данных, вводимых в модель.
Возраст Вселенной, рассчитанный на основе данных, полученных с помощью телескопа Планк в 2018 году, составляет13,787 ± 0,020 миллиарда лет. Это число представляет собой точное «прямое» измерение возраста Вселенной, в отличие от других методов, которые обычно включают закон Хаббла и возраст старейших звезд в шаровых скоплениях . Можно использовать разные методы для определения одного и того же параметра (в данном случае возраста Вселенной) и получать разные ответы без перекрытия «ошибок». Чтобы наилучшим образом избежать проблемы, принято показывать два набора неопределенностей: один, связанный с фактическим измерением, и другой, связанный с систематическими ошибками используемой модели.
Важным компонентом анализа данных, используемых для определения возраста Вселенной (например, от Planck ), является использование байесовского статистического анализа, который нормализует результаты на основе априорных данных (т.е. модели). [14] Это количественно определяет любую неопределенность в точности измерения, обусловленную конкретной используемой моделью. [29] [30]