Проблема космического возраста
Проблема космического возраста была исторической проблемой астрономии, касающейся возраста Вселенной . Проблема заключалась в том, что в разные периоды XX века Вселенная считалась моложе самых старых наблюдаемых звезд. Оценки возраста Вселенной были получены на основе измерений текущей скорости расширения Вселенной, постоянной Хаббла. , а также космологические модели, связанные к содержанию материи и энергии Вселенной (см. уравнения Фридмана ). Проблемы с измерением а также незнание о существовании темной энергии привело к ложным оценкам возраста. [1] [2] такие объекты, как галактики, звезды и планеты, не могли существовать при таких экстремальных температурах и плотностях Кроме того, вскоре после Большого взрыва .
Примерно с 1997–2003 годов большинство космологов полагают, что проблема была решена: современные космологические измерения приводят к точной оценке возраста Вселенной (т.е. времени, прошедшего после Большого взрыва) в 13,8 миллиардов лет, а недавние оценки возраста Вселенной самые старые объекты либо моложе этого значения, либо соответствуют друг другу, учитывая погрешности измерений.
Историческое развитие
[ редактировать ]Ранние годы
[ редактировать ]После теоретических разработок уравнений Фридмана и Александром Фридманом Жоржем Леметром в 1920-х годах и открытия расширяющейся Вселенной Эдвином Хабблом в 1929 году сразу стало ясно, что прослеживание этого расширения назад во времени предсказывает, что Вселенная имела почти нулевой размер при конечное время в прошлом. Эта концепция, первоначально известная Леметром как «Первобытный атом», позже была развита в современную теорию Большого взрыва . Если в прошлом Вселенная расширялась с постоянной скоростью, то возраст Вселенной сейчас (то есть время, прошедшее после Большого взрыва) просто пропорционален обратной постоянной Хаббла, часто известной как время Хаббла . Для моделей Большого взрыва с нулевой космологической постоянной и положительной плотностью материи реальный возраст должен быть несколько моложе, чем время Хаббла; обычно возраст составляет от 66% до 90% времени Хаббла. [ нужна ссылка ] , в зависимости от плотности вещества.
Ранняя оценка Хабблом своей постоянной [3] составляла 550 (км/с)/Мпк, а обратная этому величине равна 1,8 миллиарда лет. В 1920-х годах многие геологи считали, что Земле, вероятно, около 2 миллиардов лет, но с большой неопределенностью. [4] Возможное несоответствие между возрастами Земли и Вселенной, вероятно, было одной из причин разработки теории устойчивого состояния в 1948 году как альтернативы Большому взрыву; [5] В теории устойчивого состояния (ныне устаревшей) Вселенная бесконечно стара и в среднем не меняется со временем. Теория устойчивого состояния постулировала самопроизвольное создание материи, чтобы поддерживать постоянную среднюю плотность по мере расширения Вселенной, и поэтому возраст большинства галактик все еще меньше 1/H 0 . Однако если бы H 0 составляла 550 (км/с)/Мпк, наша галактика Млечный Путь была бы исключительно большой по сравнению с большинством других галактик, поэтому она вполне могла бы быть намного старше средней галактики, что устраняло бы проблему возраста.
1950–1970
[ редактировать ]В 1950-х годах в шкале внегалактических расстояний Хаббла были обнаружены две существенные ошибки: сначала в 1952 году Уолтер Бааде обнаружил, что существует два класса переменных звезд цефеид . Выборка Хаббла включала разные классы близлежащих и других галактик, и исправление этой ошибки сделало все остальные галактики вдвое дальше, чем значения Хаббла, тем самым удвоив время Хаббла. [6] Вторую ошибку обнаружили Аллан Сэндидж и его коллеги: для галактик за пределами Местной группы цефеиды были слишком слабыми, чтобы их можно было наблюдать с помощью инструментов Хаббла, поэтому Хаббл использовал самые яркие звезды в качестве индикаторов расстояния. Многие из «самых ярких звезд» Хаббла на самом деле были областями или скоплениями HII, содержащими множество звезд, что привело к еще одной недооценке расстояний до этих более далеких галактик. [7] Так, в 1958 году Сэндидж [8] опубликовал первое достаточно точное измерение постоянной Хаббла - 75 (км/с)/Мпк, что близко к современным оценкам 68–74 (км/с)/Мпк. [9]
Возраст Земли (на самом деле Солнечной системы) был впервые точно измерен примерно в 1955 году Клером Паттерсоном и составил 4,55 миллиарда лет. [10] по существу идентично современному значению. Для H 0 ~ 75 (км/с)/Мпк обратное H 0 составляет 13,0 миллиардов лет; таким образом, после 1958 года возраст модели Большого взрыва был существенно старше Земли.
Однако в 1960-е годы и позже новые разработки в теории звездной эволюции позволили оценить возраст крупных звездных скоплений, называемых шаровыми скоплениями : они обычно давали оценки возраста около 15 миллиардов лет со значительным разбросом. [ нужна ссылка ] Дальнейшие пересмотры постоянной Хаббла Сэндеджем и Густавом Тамманном в 1970-х годах дали значения около 50–60 (км / с) / Мпк. [11] и обратный возраст — 16–20 миллиардов лет, что соответствует возрасту шаровых скоплений.
1975–1990
[ редактировать ]Однако в конце 1970-х - начале 1990-х годов проблема возраста вновь возникла: новые оценки постоянной Хаббла дали более высокие значения: Жерар де Вокулер оценил значения 90–100 (км / с) / Мпк, [12] в то время как Марк Ааронсон и его коллеги дали значения около 80-90 (км/с)/Мпк. [13] Сэндидж и Тамманн продолжали отстаивать ценности 50–60, что привело к периоду разногласий, которые иногда называют «войнами Хаббла». [ нужна ссылка ] Более высокие значения H 0 , по-видимому, предсказывали, что Вселенная моложе, чем возраст шарового скопления, и в 1980-х годах породили некоторые предположения о том, что модель Большого взрыва была серьезно неверной.
Конец 1990-х: возможное решение
[ редактировать ]В конечном итоге считалось, что проблема возраста решена благодаря нескольким разработкам, произошедшим в период с 1995 по 2003 год: во-первых, в рамках крупной программы с космическим телескопом Хаббл была измерена постоянная Хаббла на уровне 72 (км/с)/Мпк с 10-процентной погрешностью. [14] Во-вторых, измерения параллакса космическим кораблем Hipparcos в 1995 году увеличили расстояния шаровых скоплений на 5–10 процентов; [15] это сделало их звезды ярче, чем предполагалось ранее, и, следовательно, моложе, сместив оценки возраста примерно до 12-13 миллиардов лет. [16] Наконец, с 1998 по 2003 год ряд новых космологических наблюдений, включая сверхновые, наблюдения космического микроволнового фона больших галактик, и исследования красного смещения привели к признанию темной энергии и утверждению модели Lambda-CDM в качестве стандартной модели космологии. Присутствие темной энергии означает, что Вселенная расширялась медленнее примерно вполовину своего нынешнего возраста, чем сегодня, что делает Вселенную старше для данного значения постоянной Хаббла. Комбинация трех приведенных выше результатов существенно устранила несоответствие между оценками возраста шаровых скоплений и возрастом Вселенной. [17]
Более поздние измерения с помощью WMAP и космического корабля «Планк» позволили оценить возраст Вселенной в 13,80 миллиардов лет. [18] с неопределенностью всего 0,3 процента (на основе стандартной модели Lambda-CDM ) и современными измерениями возраста шаровых скоплений. [19] и другие объекты в настоящее время меньше этого значения (в пределах погрешностей измерения). Поэтому значительное большинство космологов считают, что проблема возраста теперь решена. [20]
Новое исследование групп, в том числе под руководством нобелевского лауреата Адама Рисса из Научного института космического телескопа в Балтиморе, обнаружило, что возраст Вселенной составляет от 12,5 до 13 миллиардов лет, что противоречит выводам Планка. Происходит ли это просто из-за ошибок в сборе данных или связано с еще необъяснимыми аспектами физики, такими как темная энергия или темная материя, еще предстоит подтвердить. [21]
Динамическое моделирование Вселенной
[ редактировать ]В этом разделе мы хотим изучить влияние динамического моделирования Вселенной на оценку возраста Вселенной. Мы примем современное наблюдаемое значение Хаббла км/с/Мпк, так что обсуждение ниже сосредоточено на влиянии динамического моделирования, а не на влиянии исторической точности постоянной Хаббла.
1932 года Модель Вселенной Эйнштейна-де Ситтера предполагает, что Вселенная заполнена только материей и имеет исчезающую кривизну. Эта модель получила некоторую популярность в 1980-х годах и предлагает явное решение для масштабного фактора (см., например, D. Baumann 2022). [2]
где текущий возраст Вселенной. Это означает, что возраст Вселенной напрямую связан с постоянной Хаббла.
Подставив постоянную Хаббла, получим, что Вселенная имеет возраст миллиардов лет, что противоречит, например, возрасту самых старых звезд.
Если затем учесть темную энергию в форме космологической постоянной Помимо материи, эта двухкомпонентная модель предсказывает следующую связь между возрастом и постоянной Хаббла
Подстановка наблюдаемых значений параметров плотности приводит к возрасту Вселенной миллиардов лет, что теперь соответствует наблюдениям за звездным возрастом.
Ссылки
[ редактировать ]- ↑ Доказательства Большого взрыва Бьорна Фейербахера и Райана Скрэнтона. 25 января 2006 г. Проверено 16 апреля 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бауманн, Дэниел (2022). Космология . Издательство Кембриджского университета. Бибкод : 2022cosm.book.....B . дои : 10.1017/9781108937092 . ISBN 9781108838078 .
- ^ Хаббл, Э. (15 марта 1929 г.). «Связь между расстоянием и лучевой скоростью среди внегалактических туманностей» . Труды Национальной академии наук . 15 (3): 168–173. Бибкод : 1929PNAS...15..168H . дои : 10.1073/pnas.15.3.168 . ПМК 522427 . ПМИД 16577160 .
- ^ Браш, Стивен Г.; Сигал, Ариэль (2015). Создание науки 20-го века: как теории стали знаниями . Издательство Оксфордского университета. п. 366. ИСБН 9780199978151 .
- ^ Краг, Хельге (1999). Космология и полемика . Принстонский университет. Нажимать. ISBN 978-0691005461 .
- ^ Бааде, В. (февраль 1956 г.). «Соотношение периода и светимости цефеид» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 68 (400): 5. Бибкод : 1956PASP...68....5B . дои : 10.1086/126870 .
- ^ Хьюмасон, МЛ; Мэйолл, Нью-Йорк; Сэндидж, Арканзас (апрель 1956 г.). «Красное смещение и величины внегалактических туманностей». Астрономический журнал . 61 : 97. Бибкод : 1956AJ.....61...97H . дои : 10.1086/107297 .
- ^ Сэндидж, Аллан (1958). «Актуальные проблемы в шкале внегалактических расстояний». Астрофизический журнал . 127 : 513. Бибкод : 1958ApJ...127..513S . дои : 10.1086/146483 .
- ^ Рисс, А.; Макри, Лукас; Казертано, Стефано; Лампейтль, Юбер; Фергюсон, Генри К.; Филиппенко Алексей Владимирович; Джа, Саураб В.; Ли, Вэйдун; Чорнок, Райан (2011). «Решение 3%: определение постоянной Хаббла с помощью космического телескопа Хаббла». Астрофизический журнал . 730 (119): 119. arXiv : 1103.2976 . Бибкод : 2011ApJ...730..119R . дои : 10.1088/0004-637X/730/2/119 . S2CID 53531339 .
- ^ Паттерсон, К.; Тилтон, Дж.; Ингрэм, М. (21 января 1955 г.). «Возраст Земли». Наука . 121 (3134): 69–75. Бибкод : 1955Sci...121...69P . дои : 10.1126/science.121.3134.69 . ПМИД 17782556 .
- ^ Сэндидж, А.; Тамманн, Джорджия (1976). «Шаги к постоянной Хаббла. VII — Расстояния до NGC 2403, M101 и скопления Девы с использованием ширины линии 21 сантиметр по сравнению с оптическими методами: глобальное значение H sub 0» . Астрофизический журнал . 210 : 7. Бибкод : 1976ApJ...210....7S . дои : 10.1086/154798 .
- ^ де Вокулер, Г. (23 сентября 1982 г.). «Пять важнейших испытаний шкалы космических расстояний с использованием Галактики в качестве фундаментального стандарта». Природа . 299 (5881): 303–307. Бибкод : 1982Natur.299..303D . дои : 10.1038/299303a0 . S2CID 4331115 .
- ^ Ааронсон, М.; Ботун, Г.; Молд, Дж.; Хухра, Дж.; Шоммер, РА; Корнелл, Мэн (1986). «Шкала расстояний на основе отношений инфракрасной величины / скорости и ширины HI. V - Модули расстояний до 10 скоплений галактик и положительное обнаружение движения объемного сверхскопления в сторону микроволновой анизотропии». Астрофизический журнал . 302 : 536. Бибкод : 1986ApJ...302..536A . дои : 10.1086/164014 .
- ^ Мадор, Барри Ф.; Фридман, Венди Л.; Зильберманн, Н.; Хардинг, Пол; Хухра, Джон; Молд, Джереми Р.; Грэм, Джон А.; Феррарезе, Лаура; Гибсон, Брэд К.; Хан, Миншэн; Хессель, Джон Г.; Хьюз, Шон М.; Иллингворт, Гарт Д.; Фелпс, Рэнди; Сакаи, Сёко; Стетсон, Питер (10 апреля 1999 г.). «Ключевой проект по шкале внегалактических расстояний. XV. Расстояние от цефеид до скопления Печи и его последствия». Астрофизический журнал . 515 (1): 29–41. arXiv : astro-ph/9812157 . Бибкод : 1999ApJ...515...29M . дои : 10.1086/307004 . S2CID 119389510 .
- ^ Рид, Н. (1998). «Шаровые скопления, Гиппархос и возраст галактики» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (1): 8–12. Бибкод : 1998PNAS...95....8R . дои : 10.1073/pnas.95.1.8 . ПМК 34182 . ПМИД 9419316 .
- ^ Чабойе, Брайан; Демарк, П.; Кернан, Питер Дж.; Краусс, Лоуренс М. (10 февраля 1998 г.). «Эра шаровых скоплений в свете: решение проблемы возраста?». Астрофизический журнал . 494 (1): 96–110. arXiv : astro-ph/9706128 . Бибкод : 1998ApJ...494...96C . дои : 10.1086/305201 . S2CID 14638994 .
- ^ Краусс, Лоуренс М.; Чабойе, Брайан (3 января 2003 г.). «Оценка возраста шаровых скоплений Млечного Пути: ограничения космологии». Наука . 299 (5603): 65–69. Бибкод : 2003Sci...299...65K . дои : 10.1126/science.1075631 . ПМИД 12511641 . S2CID 10814581 .
- ^ Сотрудничество Планка, Планк; Аде, Пенсильвания; Аганим, Н. ; Армитидж-Каплан, К.; Арно, М.; Эшдаун, М.; Атрио-Барандела, Ф.; Омон, Дж.; Бачигалупи, К.; Бандей, Эй Джей; Баррейро, РБ; Бартлетт, Дж.Г.; Баттанер, Э.; Бенабед, К.; Бенуа, А.; Бенуа-Леви, А.; Бернар, Ж.-П.; Берсанелли, М.; Белевич, П.; Бобин, Дж.; Бок, Джей-Джей; Бональди, А.; Бонд-младший; Боррилл, Дж.; Буше, Франция; Бриджес, М.; Бучер, М.; Буригана, К.; Батлер, Р.К.; и др. (2013). «Результаты XVI Планка 2013: Космологические параметры». Астрономия . 571 : А16. arXiv : 1303.5076 . Бибкод : 2014A&A...571A..16P . дои : 10.1051/0004-6361/201321591 . S2CID 118349591 .
- ^ Ванденберг, Дон А.; Брогаард, К.; Лиман, Р.; Касагранде, Л. (1 октября 2013 г.). «Возраст 55 шаровых скоплений, определенный с использованием улучшенного метода ΔV». полупансион
Метод TO наряду с ограничениями диаграммы цвет-величина и их последствия для более широких проблем». Astrophysical Journal . 775 (2): 134. arXiv : 1308.2257 . Bibcode : 2013ApJ...775..134V . doi : 10.1088/0004- 2/134 .S2CID 117065283 . 637X/775 / - ^ «Космологические параметры» (PDF) . Обзор свойств частиц 2014 . Группа данных частиц.
- ^ «Вселенная может быть на миллиард лет моложе, чем мы думали» . NBCNews . 18 мая 2019 г.