Что ученым известно о возрасте и расширении вселенной?

Современное представление о размере наблюдаемой Вселенной

Современная модель Вселенной также называется ΛCDM-моделью. Буква «Λ» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.


Эволюция Вселенной

Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 м/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой она была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.

Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно ей Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.

Эволюция

Полагаясь на достоверность Теории Большого взрыва, ученые предполагают, что эволюция Вселенной происходила в такой последовательности:

Эпоха сингулярности

Это наиболее ранний период развития мироздания. Небольшая точка, которая состоит из протонов и нейтронов, “взрывается”. Время такого “Бума” составляет всего 0,0001 секунды. После этого, стартовал процесс синтезирования частиц, за счет чего образуется водород и гелий. Из-за высочайшей температуры в миллиарды градусов, этот процесс происходит быстро, что приводит к расширению космического пространства.

Эпоха инфляции

В этот период, просторы Вселенной заполнила энергия одинаково высокой плотности, невероятно высокой температуры и давления. Это приводит к быстрому расширению и постепенному охлаждению. Эпоха знаменательна столкновением и разрушением частиц и античастиц. Это приводит к превосходству материи над антиматерией.

Эпоха охлаждения

Уменьшение плотности и температуры на космических просторах стало причиной минимизации энергии в каждой частице. Эти процессы происходили до того момента, как все элементарные частицы преобразовались в современные формы. В этот период, плотная материя была равномерно распространена по просторам космоса.

Иерархическая эпоха

На протяжении нескольких миллиардов лет, наиболее плотные участки начали соединяться между собой, образуя газовые облака, звезды и галактики. В нашей Вселенной начали образовываться структурные формирования, которые мы можем наблюдать сейчас.

Хаббловское время

Но вопросом о возрасте мироздания занимался не только телескоп, названый в честь ученого, но и сам ученый, американский астроном Эдвин Хаббл. Ему удалось вывести свою известную формулу v = H*D, где v – скорость расширения Вселенной, D – расстояние от наблюдаемой галактики до наблюдателя, а H – постоянная Хаббла, которая обратно пропорциональна времени. О существовании постоянной Хаббла, как величины, определяющей зависимость между расстоянием до объекта и скоростью его удаления, впервые предположил священник астроном из Бельгии — Жорж Леметр. Согласно его идее, мир произошел из одного, условно говоря, атома, а после — стал расширяться. Позже, эта теория шутливо была названа «Большим Взрывом», но в дальнейшем этот термин прочно закрепился в космологии.

Э.П. Хаббл со снимком галактики Андромеда в руках

Спустя некоторое время, в 1929 году Э. Хаббл получил более точное значение упомянутой постоянной. Очевидно, что возраст мироздания напрямую зависит от постоянной Хаббла. Изначально, используя имеющуюся модель Вселенной, ученые рассчитали, что величину, обратно пропорциональную постоянной Хаббла нужно умножить на 2/3. Однако в таком случае искомая величина составляет около 1,2 млрд лет, число, близкое к тому, что предложили индуисты еще в 150-м году до н.э. Впрочем, к концу XX-го века уже были получены астрономические данные, которые говорили о возрасте 13-15 млрд лет.

Как выяснилось, причиной неправильной оценки стали неверные представления о расширении Вселенной. Только в 1999-м году две группы астрономов смогли доказать, что последние 5-6 млрд лет расширение космического пространства ускоряется, а не замедляется, как считалось ранее. По современным подсчетам этим методом ученые вывели значение 13,798 ± 0,037 лет.

Шкала расстояний


Телескопы являются лишь одним из инструментов для измерения космических расстояний и не всегда способны справится с этим заданием: чем дальше находится объект, расстояние до которого мы хотим измерить, тем сложнее это сделать. Радиотелескопы отлично подходят для измерения расстояний и проведения наблюдений лишь внутри нашей Солнечной системы. Они действительно способны предоставлять очень точные данные. Но стоит только направить их взор за пределы Солнечной системы, как их эффективность резко сокращается. Ввиду всех этих проблем астрономы решили прибегнуть к другому методу измерения расстояния — параллаксу.

Что такое параллакс? Объясним на простом примере. Закройте сначала один глаз и посмотрите на какой-нибудь объект, а затем закройте другой глаз и посмотрите снова на этот же объект. Заметили небольшое «изменение в положении» объекта? Этот «сдвиг» и называется параллаксом, методом, который используется для определения расстояния в космосе. Метод отлично работает, когда речь идет о звездах, находящихся в относительной близости от нас — примерно в радиусе 100 световых лет. Но когда и этот метод становится малоэффективным, ученые прибегают к другим.

Следующий способ определения расстояния носит название «метод главной последовательности». Он основан на наших знаниях о том, как со временем изменяются звезды определенных размеров. Сначала ученые определяют яркость и цвет звезды, а затем сравнивают показатели с ближайшими звездами, обладающими аналогичными характеристиками, выводя на основе этих данных приблизительное расстояние. Опять же, данный метод весьма ограничен и работает только в случае звезд, принадлежащих нашей галактике, или тех, которые находятся в радиусе 100 000 световых лет.

Чтобы заглянуть дальше, астрономы полагаются на метод измерения по цефеидам. Он основан на открытии американского астронома Генриетты Суон Ливитт, которая обнаружила зависимость между периодом изменения блеска и светимостью звезды. Благодаря этому методы многие астрономы смогли высчитать расстояния до звезд не только внутри нашей галактики, но и за ее пределами. В некоторых случаях речь идет о дистанциях в 10 миллионов световых лет.

И все же к вопросу размеров Вселенной мы пока не приблизились ни на йоту. Поэтому переходим к ультимативному средству измерений, основанному на принципе красного сдвига (или красного смещения). Суть красного смещения аналогична принципу работы эффекта Доплера. Вспомните железнодорожный переезд. Никогда не замечали, как звучание гудка поезда изменяется в зависимости от расстояния, усиливаясь при приближении и становясь тише при отдалении?

Свет работает примерно так же. Посмотрите на спектрограмму выше, видите черные линии? Они указывают на границы поглощения цвета химическими элементами, находящимися внутри и вокруг источника света. Чем больше сдвинуты линии к красной части спектра — тем дальше объект находится от нас. На основе подобных спектрограмм ученые также определяют то, насколько быстро объект двигается от нас.

Так мы плавно и подобрались к нашему ответу. Большая часть света, подвергшаяся красному смещению, принадлежит галактикам, возраст которых около 13,8 миллиарда лет.

Шаровые свидетельства

Второй метод основан на исследовании шарообразных звездных скоплений, находящихся в периферийной зоне Млечного Пути и обращающихся вокруг его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных взаимным притяжением.

Шаровые скопления имеются практически во всех крупных галактиках, причем их количество порой достигает многих тысяч. Новые звезды там практически не рождаются, зато пожилые светила присутствуют в избытке. В нашей Галактике зарегистрировано около 160 таких шаровых скоплений, и, возможно, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не вполне ясны, однако, вероятнее всего, многие из них возникли вскоре после рождения самой Галактики. Поэтому датировка формирования древнейших шаровых скоплений позволяет установить и нижнюю границу галактического возраста.

Такая датировка весьма сложна технически, но в основе ее лежит очень простая идея. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного итого же газового облака и потому рождаются практически одновременно. С течением времени они выжигают основные запасы водорода — одни раньше, другие позже. На этой стадии звезда покидает главную последовательность и претерпевает серию превращений, которые завершаются либо полным гравитационным коллапсом (за которым следует формирование нейтронной звезды или черной дыры), либо возникновением белого карлика. Поэтому изучение состава шарового скопления позволяет достаточно точно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно составить не менее нескольких десятков.

Такую работу три года назад выполнила команда астрономов, пользовавшихся камерой ACS (Advanvced Camera for Survey) космического телескопа «Хаббл». Мониторинг 41 шарового скопления нашей Галактики показал, что их средний возраст составляет 12,8 млрд лет. Рекордсменами оказались скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет. Они почти наверняка не моложе 13 млрд лет, причем наиболее вероятное время жизни второго скопления -13,4 млрд лет (правда, с погрешностью плюс-минус миллиард).

Звезды массы порядка солнечной по мере исчерпания запасов водорода разбухают и переходят в категорию красных карликов, после чего их гелиевое ядро при сжатии разогревается и начинается горение гелия. Через некоторое время звезда сбрасывают оболочку, образуя планетарную туманность, а потом переходит в категорию белых карликов и далее остывает.

Однако же наша Галактика должна быть постарше своих скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, в частности, ядра стабильного изотопа бериллия-бериллия-9. Когда начали формироваться шаровые скопления, их новорожденные звезды уже содержали бериллий, причем тем больше, чем позже они возникли. По содержанию бериллия в их атмосферах можно выяснить, насколько скопления моложе Галактики. Как свидетельствуют данные по скоплению NGC 6937, эта разница составляет 200 — 300 млн лет. Так что без большой натяжки можно сказать, что возраст Млечного Пути превышает 13 млрд лет и, возможно, достигает 13,3 — 13,4 млрд. Это практически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но получена она совершенно иным способом.

Охлаждение Вселенной


После взрыва все должно было снизить температуру.

Со снижением плотности и температуры внутри Вселенной начало происходить и снижение энергии в каждой частице. Это переходное состояние длилось до тех пор, пока фундаментальные силы и элементарные частицы не пришли к своей нынешней форме. Так как энергия частиц опустилась до значений, которые можно сегодня достичь в рамках экспериментов, действительное возможное наличие этого временного периода вызывает у ученых куда меньше споров.

Например, ученые считают, что на 10-11 секунде после Большого взрыва энергия частиц значительно уменьшилась. Примерно на 10-6 секунде кварки и глюоны начали образовывать барионы — протоны и нейтроны. Кварки стали преобладать над антикварками, что в свою очередь привело к преобладанию барионов над антибарионами.

Так как температура была уже недостаточно высокой для создания новых протонно-антипротонных пар (или нейтронно-антинейтронных пар), последовало массовое разрушение этих частиц, что привело к остатку только 1/1010 количества изначальных протонов и нейтронов и полному исчезновению их античастиц. Аналогичный процесс произошел спустя около 1 секунды после Большого взрыва. Только «жертвами» на этот раз стали электроны и позитроны. После массового уничтожения оставшиеся протоны, нейтроны и электроны прекратили свое беспорядочное движение, а энергетическая плотность Вселенной была заполнена фотонами и в меньшей степени нейтрино.

В течение первых минут расширения Вселенной начался период нуклеосинтеза (синтез химических элементов). Благодаря падению температуры до 1 миллиарда кельвинов и снижения плотности энергии примерно до значений, эквивалентных плотности воздуха, нейтроны и протоны начали смешиваться и образовывать первый стабильный изотоп водорода (дейтерий), а также атомы гелия. Тем не менее большинство протонов во Вселенной остались в качестве несвязных ядер атомов водорода.

Спустя около 379 000 лет электроны объединились с этими ядрами водорода и образовали атомы (опять же преимущественно водорода), в то время как радиация отделилась от материи и продолжила практически беспрепятственно расширяться через пространство. Эту радиацию принято называть реликтовым излучением, и она является самым древнейшим источником света во Вселенной.

С расширением реликтовое излучение постепенно теряло свою плотность и энергию и в настоящий момент его температура составляет 2,7260 ± 0,0013 К (-270,424 °C), а энергетическая плотность 0,25 эВ (или 4,005×10-14 Дж/м³; 400–500 фотонов/см³). Реликтовое излучение простирается во всех направлениях и на расстояние около 13,8 миллиарда световых лет, однако оценка его фактического распространения говорит примерно о 46 миллиардах световых годах от центра Вселенной.

Тогда зачем Вселенная появилась?

Вот здесь и сделаем небольшую паузу, и обратимся к Библии.

Ин. 1:1

Но на самом деле, Евангелие от Иоанна писалось на греческом:

» Ἐν ἀρχῇ ἦν ὁ λόγος, καὶ ὁ λόγος ἦν πρὸς τὸν θεόν, καὶ θεὸς ἦν ὁ λόγος «

λόγος (логос) — слово. Но именно «логос» в греческом означает и «смысл», и «намерение», и «разум», и «причина».

Поэкспериментируем: «в начале был смысл, и смысл был у Бога, и смыслом был Бог». «В начале был разум, и разум был у Бога, и разумом был Бог». «В начале была причина, и намерение было у Бога, и разумом был Бог».


Смотрим еще, самое начало Библии — книга Бытие 1:1.

Бог создает мир

В последующие дни Бог сотворил твердь посреди воды, чтобы она отделяла воду от воды, и назвал ее небом. А потом — из воды вышла суша, и Он назвал ее землей. Стоп, опять? А разве не их он сотворил в первый день? Или там речь шла о других вещах?

Уж не имеется ли ввиду два пространства — «мнимое» и «действительное» под словами Небо и Земля? «Земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух (мысль) Божий носился над водою. Что за вода?

Как мы знаем из науки, первичным веществом во Вселенной был водород с его изотопами. А слова водород «מימן» и вода «מים» в иврите аналогичны, тем более что использование греческого языке в синодальных переводах библии уже привело нас к путаннице со словом «логос». Не говоря уж о том, что газ водород едва ли был известен древним богословам. Но само его наименование «порождающий воду» аналогично практически во всех языках мира.

А дальше? А дальше Бог сказал — «да будет свет» (Большой взрыв, образование фотонов)? А затем, Бог отделил свет от тьмы (расширение и остывание Вселенной).

Похоже, что в XV веке до н.э. люди, писавшие Бытие, недурно разбирались в вопросах космологии, к которым человечество приходит только в XX — XXI веках!

Космические ритмы

30 июня 2001 года NASA отправило в космос зонд Explorer 80, через два года переименованный в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Его аппаратура позволила регистрировать температурные флуктуации микроволнового реликтового излучения с угловым разрешением менее трех десятых градуса. Тогда уже было известно, что спектр этого излучения почти полностью совпадает со спектром идеального черного тела, нагретого до 2,725 К, а колебания его температуры при «крупнозернистых» измерениях с угловым разрешением в 10 градусов не превышают 0,000036 К. Однако на «мелкозернистой» шкале зонда WMAP амплитуды таких флуктуаций были в шесть раз больше (около 0,0002 К). Реликтовое излучение оказалось пятнистым, тесно испещренным чуть более и чуть менее нагретыми участками.

Флуктуации реликтового излучения порождены колебаниями плотности электронно-фотонного газа, который некогда заполнял космическое пространство. Она упала почти до нуля приблизительно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда практически все свободные электроны соединились с ядрами водорода, гелия и лития и тем самым положили начало нейтральным атомам. Пока этого не произошло, в электронно-фотонном газе распространялись звуковые волны, на которые влияли гравитационные поля частиц темной материи. Эти волны, или, как говорят астрофизики, акустические осцилляции, наложили отпечаток на спектр реликтового излучения. Этот спектр можно расшифровать при помощи теоретического аппарата космологии и магнитной гидродинамики, что дает возможность по‑новому оценить возраст Вселенной. Как показывают новейшие вычисления, его наиболее вероятная протяженность составляет 13,72 млрд лет. Она и считается сейчас стандартной оценкой времени жизни Вселенной

Если принять во внимание все возможные неточности, допуски и приближения, можно заключить, что, согласно результатам зонда WMAP, Вселенная существует от 13,5 до 14 млрд лет

Таким образом, астрономы, оценивая возраст Вселенной тремя различными способами, получили вполне совместимые результаты. Поэтому теперь мы знаем (или, выражаясь осторожней, думаем, что знаем), когда возникло наше мироздание — во всяком случае, с точностью до нескольких сотен миллионов лет. Вероятно, потомки внесут решение этой вековой загадки в перечень самых замечательных достижений астрономии и астрофизики.

Статья «Возраст мироздания» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012).


С этим читают