Скільки років Всесвіту? Упродовж багатьох поколінь люди сперечалися про те, чи існував Всесвіт завжди, чи був у нього початок, або ж він циклічний: не має ні початку, ні кінця.
Але починаючи з 20-го століття, ми не тільки відповіли на це питання, - Всесвіт (як ми його розуміємо) почався з гарячого Великого вибуху, - а й змогли точно визначити, коли він стався.
Тепер ми стверджуємо, що вік Всесвіту становить 13,8 мільярда років. Але наскільки ми в цьому впевнені?
Ось що пише Адімчі Оненадум: "Як ми дійшли висновку, що вік Всесвіту становить 13,8 мільярда років?".
Дуже сміливе твердження, але астрономи більш ніж упевнені у своїх висновках. Ось як ми це зробили.
Найпростіший і найзрозуміліший спосіб виміряти вік Всесвіту - просто подивитися на об'єкти, які в ньому знаходяться. Наприклад, на зірки. Тільки в галактиці Чумацький Шлях сотні мільярдів світил, і переважна частина стародавньої астрономії була присвячена їхньому вивченню та опису. Ця галузь досліджень залишається активною і сьогодні, оскільки вчені виявили взаємозв'язок між спостережуваними властивостями зоряних популяцій та їхнім віком.
Основна картина така:
- хмара холодного газу руйнується під дією власної гравітації,
- що одночасно призводить до утворення великої кількості нових зірок,
- які мають різну масу, колір і яскравість,
- а найбільші - блакитні та найяскравіші - згорають у першу чергу.
Тому, коли ми дивимося на популяцію, ми можемо сказати, скільки їй років. Варто лише поглянути на те, які типи космічних об'єктів ще залишилися, а які класи зірок повністю зникли.
У нашій галактиці існують зірки найрізноманітнішого віку, але вимірювання будь-якого об'єкта пов'язані з невизначеністю. Причина проста: коли ми дивимося на окрему зірку, ми бачимо її такою, якою вона є сьогодні.
Ми не можемо бачити - або знати, що сталося в її минулому, що призвело до її нинішнього стану. Ми можемо бачити тільки сьогоднішній знімок того, що є, а про решту нам доводиться робити висновки.
Ми часто бачимо спроби виміряти вік зірки, але це завжди супроводжується припущенням, що в її минулому не було взаємодії, злиття або іншої бурхливої події. Через те, що ми бачимо тільки тих, хто вижив, такі вимірювання завжди супроводжуються великою невизначеністю: близько мільярда років або навіть більше.
Однак невизначеність набагато менша, коли ми розглядаємо великі скупчення. Вони утворюються всередині галактики, - у Чумацькому Шляху, наприклад - і містять кілька тисяч зірок.
Вони існують лише кілька сотень мільйонів років. Зрештою гравітаційна взаємодія призводить до їхнього розльоту. Хоча невеликий відсоток із них живуть кілька мільярдів років, ми не знаємо жодного відкритого зоряного скупчення, старшого за нашу Сонячну систему.
Кульові скупчення, однак, більші, вони масивні та ізольовані. Вони зустрічаються в гало Чумацького Шляху (і в більшості великих галактик). Спостерігаючи їх, ми можемо виміряти колір і яскравість, що дає змогу визначити їхній середній вік.
Хоча й тут існують невизначеності, - навіть у межах одного лише Чумацького Шляху є велика популяція кульових скупчень, вік яких становить 12 мільярдів років і більше.
Наскільки ми впевнені в цих цифрах? Важко сказати. Майже гарантовано, що вік найстаріших скупчень має становити від 12,5 до 13 мільярдів років. Але залишається велика невизначеність щодо часу, необхідного зірці з масою, що приблизно дорівнює масі Сонця, щоб почати перехід у субгігант, а потім перетворитися на повноцінну червону гігантську зірку.
Це може зайняти 10 мільярдів років, може бути 12 мільярдів років, може бути якесь проміжне значення. Багато астрономів, які займалися вивченням кульових скупчень, стверджували, що вік найстаріших із них становить 14, а можливо, навіть 16 мільярдів років, але зміни в нашому розумінні зоряної еволюції тепер не дають змоги так вільно інтерпретувати дані.
Сьогодні ми можемо з упевненістю зробити висновок, що нижня межа віку Всесвіту становить близько 12,5-13 мільярдів років, але це не означає точного визначення самого віку. Це гарне обмеження, але для отримання точної цифри нам потрібен більш досконалий метод.
На щастя, Всесвіт дає нам його. Загальна теорія відносності Ейнштейна для Всесвіту, наповненого рівномірною кількістю матерії та енергії скрізь і в усіх напрямках, визначає пряму залежність між двома величинами:
кількість і типи матерії та енергії, присутні в космосі,
і як швидко розширюється Всесвіт сьогодні.
Такий взаємозв'язок був уперше виведений у 1922 році Олександром Фрідманом; рівняння, що дозволяють нам визначити вік Всесвіту, відомі як рівняння Фрідмана. Нам знадобилося багато років, щоб виміряти складові частини універсуа, але в результаті склалася загальна картина.
Спостереження, починаючи від легких елементів, скупчення галактик і їхніх зіткнень, далеких наднових і закінчуючи флуктуаціями космічного мікрохвильового фону, вказують на один і той самий Всесвіт. Зокрема, він складається з:
- 68% темної енергії,
- 27% темної матерії,
- 4,9% звичайної матерії (протони, нейтрони та електрони),
- 0,1% нейтрино,
- 0,01% фотонів (частинок світла, або випромінювання),
- і менш як 0,4% усього іншого, включно з просторовою кривизною, космічними струнами, доменними стінами та іншими химерними, екзотичними компонентами.
Ця картина узгоджується з повним набором спостережень, які ми маємо; вам доведеться дуже сильно вибирати докази - надмірно наголошуючи на вимірах із великими неоднозначностями та водночас ігноруючи великі набори даних - щоб зрештою отримати набори значень, що значно відрізняються один від одного.
Отже, можна подумати, що все залежить від швидкості розширення. Якщо провести точні вимірювання, то ми просто виконаємо математичні обчислення.
Починаючи з початку 2000-х років, найкращі дані ми отримуємо від космічного мікрохвильового фону: спочатку від WMAP, потім від Planck, а від 14 липня 2020 року і від Космологічного телескопа в Атакамі.
Усі ці значення сходяться до однієї й тієї ж швидкості розширення: 68 км/с/Мпк, з невизначеністю всього 1-2%. Якщо підрахувати, що це означає для віку Всесвіту, то виходить дуже надійне значення 13,8 млрд років, яке повністю відповідає всьому, що ми знаємо про зірки.
Зачекайте секунду. Можливо, ви чули - і цілком обґрунтовано, - що з цього приводу існують розбіжності.
Тоді як групи, що вимірюють космічний мікрохвильовий фон, отримують одне значення швидкості розширення, інші групи, що стежать за великомасштабною структурою Всесвіту, виходять на інші результати.
Якщо подивитися на вимірювання за допомогою сходів відстаней, то всі вони дають систематично вищі значення: від 72 до 76 км/с/Мпк. Тобто на 9% вище, ніж значення, отримане з космічного мікрохвильового фону.
Тоді можна подумати, що хтось правий, а хтось ні. Якщо команда дослідників, що використовує метод сходів відстаней, має рацію, а команда дослідників космічного мікрохвильового фону помиляється, то, можливо, Всесвіт на 9% молодший, ніж ми думаємо, - йому всього 12,8 млрд років.
Але на практиці все інакше. Дані космічного мікрохвильового фону - це не те, що можна просто ігнорувати; це те, з чим потрібно рахуватися. Піки, долини і коливання, які ми бачимо в коливаннях його температури, є відображенням різних параметрів.
Звісно, найкраще підходять значення для Всесвіту, що розширюється зі швидкістю 68 км/с/Мпк і має 68% темної енергії, 27% темної матерії і 5% звичайної матерії, але їх можна варіювати, поки вони змінюються.
Хоча це не так добре відповідає даним, можна збільшити швидкість розширення, скажімо, до 74 км/с/Мпк, і однаково отримати дуже хорошу відповідність, за умови коригування відносних часток темної матерії і темної енергії.
При трохи меншій кількості ТМ (20%) і трохи більшій кількості ТЕ (75%), значно вища швидкість розширення все ще відповідає даним, хоча й не так добре, як консенсусні значення.
Однак найцікавіше, що отриманий вік практично не змінюється; якщо дослідити весь діапазон припустимих і неприпустимих значень, то цифра в 13,8 млрд років з'являється лише з невизначеністю близько 1%: між 13,67 і 13,95 млрд років.
Дійсно, у Всесвіті ще багато загадок, які належить розкрити. Ми не знаємо, наскільки швидко розширюється Всесвіт, і не знаємо, чому різні методи вимірювання швидкості розширення дають настільки дико різні результати.
Ми не знаємо, що таке темна матерія або темна енергія, і чи зберігає загальна теорія відносності, на основі якої все це виведено, свою силу в найбільших космічних масштабах.
Ми навіть не знаємо точно, яка частина Всесвіту замкнена в тій чи іншій формі енергії: у ньому може бути більше темної матерії і менше темної енергії, ніж ми думаємо, або навпаки; невизначеність істотна.
Але ми знаємо, що всі наявні в нас дані узгоджуються з одним конкретним віком Всесвіту: 13,8 мільярда років, з невизначеністю лише в 1% від цього значення.
Він не може бути на мільярд років старшим або молодшим за цю цифру, якщо тільки ціла низка речей, які ми вимірювали, не привели нас до неправильних висновків.
Якщо тільки космос не бреше нам або ми мимоволі обманюємося, те, що ми знаємо як гарячий Великий вибух, сталося між 13,67 і 13,95 мільярдами років тому: не менше і не більше. Не вірте жодним твердженням про зворотне, не порівнявши їх із повним набором даних!
Джерело: Big Think
