Возраст Вселенной

Эта статья о научных оценках возраста Вселенной. Религиозные и другие ненаучные оценки см. в разделе Создание дат .

В физической космологии возраст Вселенной – это время , прошедшее с момента Большого взрыва . Астрономы получили два разных измерения возраста Вселенной : измерение, основанное на прямых наблюдениях за ранним состоянием Вселенной, которое указывает на возраст 13,787 ± 0,020 миллиарда лет, интерпретируемый с помощью модели согласования Lambda-CDM по состоянию на 2021 год; и измерение, основанное на наблюдениях за локальной современной Вселенной, которые предполагают более молодой возраст. Неопределенность первого типа измерений была сужена до 20 миллионов лет на основе ряда исследований , которые показывают схожие цифры возраста. Эти исследования включают исследования микроволнового фонового излучения космическим «Планк» кораблем , зондом микроволновой анизотропии Уилкинсона и другими космическими зондами. Измерения космического фонового излучения дают время остывания Вселенной после Большого взрыва. а измерения скорости расширения Вселенной можно использовать для расчета ее приблизительного возраста путем экстраполяции назад во времени. Диапазон оценки также находится в пределах оценки самой старой наблюдаемой звезды во Вселенной.

История

Основные статьи: Проблема космического возраста и космический микроволновый фон

В XVIII веке стало появляться представление о том, что возраст Земли составляет миллионы, если не миллиарды лет. Тем не менее, большинство ученых на протяжении 19-го века и в первые десятилетия 20-го века предполагали, что сама Вселенная находилась в устойчивом состоянии и была вечной, возможно, с приходом и исчезновением звезд, но никаких изменений в самых крупных масштабах, известных на тот момент, не происходило.

Первыми научными теориями, указывающими на то, что возраст Вселенной может быть конечным, были исследования термодинамики , формализованные в середине 19 века. Концепция энтропии гласит, что если бы Вселенная (или любая другая замкнутая система) была бесконечно старой, то все внутри имело бы одинаковую температуру, и, следовательно, не было бы ни звезд, ни жизни. Никакого научного объяснения этому противоречию в то время предложено не было.

В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. а в 1917 году построил первую космологическую модель на основе своей теории. Чтобы сохранить согласованность с стационарной Вселенной, Эйнштейн добавил то, что позже было названо космологической постоянной в свои уравнения . Модель статической Вселенной Эйнштейна была неустойчива Артуром Эддингтоном .

Первый прямой наблюдательный намек на то, что Вселенная не статична, а расширяется, появился из наблюдений « скоростей удаления », в основном Весто М. Слайфера , в сочетании с расстояниями до « туманностей » ( галактик ) Эдвина Хаббла в работе, опубликованной в 1929 году. . Ранее в 20-м веке Хаббл и другие исследовали отдельные звезды внутри определенных туманностей, определив тем самым, что это галактики, похожие на Галактику Млечный Путь , но внешние по отношению к ней . Кроме того, эти галактики были очень большими и очень далекими. Спектры этих далеких галактик показали красное смещение их спектральных линий , предположительно вызванное эффектом Доплера , что указывает на то, что эти галактики удалялись от Земли. Кроме того, чем дальше казались эти галактики (чем тусклее они казались), тем больше было их красное смещение и, следовательно, тем быстрее они удалялись. Это было первое прямое доказательство того, что Вселенная не статична, а расширяется. Первая оценка возраста Вселенной была сделана 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 намного ближе, чем показали более поздние наблюдения.

Время ретроспективного анализа внегалактических наблюдений по их красному смещению до z=20.

Первое достаточно точное измерение скорости расширения Вселенной, числовой величины, ныне известной как постоянная Хаббла , было сделано в 1958 году астрономом Алланом Сэндиджем . Измеренное им значение постоянной Хаббла очень близко подошло к общепринятому сегодня диапазону значений.

Сэндидж, как и Эйнштейн, не верил своим собственным результатам во время открытия. Сэндидж предложил новые теории космогонии , чтобы объяснить это несоответствие. Этот вопрос был более или менее решен за счет усовершенствования теоретических моделей, используемых для оценки возраста звезд. По состоянию на 2013 год с использованием новейших моделей звездной эволюции предполагаемый возраст самой старой известной звезды составляет 14,46 ± 0,8 миллиарда лет.

Об открытии микроволнового космического фонового излучения объявлено в 1965 году. наконец положило конец оставшейся научной неопределенности относительно расширяющейся Вселенной. Это был случайный результат работы двух команд, находящихся на расстоянии менее 60 миль друг от друга. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон пытались обнаружить радиоволн эхо с помощью сверхчувствительной антенны. Антенна настойчиво улавливала низкий, устойчивый, загадочный шум в микроволновом диапазоне , который равномерно распространялся 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 смогли его объяснить. В то же время другая группа, Роберт Х. Дике , Джим Пиблз и Дэвид Уилкинсон , пытались обнаружить шум низкого уровня, который мог остаться после Большого взрыва , и могли доказать, верна ли теория Большого взрыва. Обе команды поняли, что обнаруженный шум на самом деле был излучением, оставшимся от Большого взрыва, и что это было убедительным доказательством правильности теории. С тех пор множество других свидетельств укрепили и подтвердили этот вывод, а также уточнили предполагаемый возраст Вселенной до его нынешнего значения.

Космические зонды WMAP, запущенный в 2001 году, и «Планк» , запущенный в 2009 году, предоставили данные, которые определяют постоянную Хаббла и возраст Вселенной независимо от расстояний до галактик, устраняя крупнейший источник ошибок.

Объяснение

Связь между красным смещением и возрастом Вселенной, от z=5 до 20.

Модель согласования Lambda-CDM описывает эволюцию Вселенной от очень однородного, горячего и плотного изначального состояния до ее нынешнего состояния в течение примерно 13,77 миллиардов лет. космологического времени . Эта модель хорошо изучена теоретически и полностью подтверждается недавними высокоточными астрономическими наблюдениями, такими как WMAP . Напротив, теории происхождения изначального состояния остаются весьма умозрительными.

Если экстраполировать модель Lambda-CDM назад от самого раннего хорошо понятного состояния, она быстро (в течение небольшой доли секунды) достигнет сингулярности . Это известно как « первоначальная сингулярность » или « сингулярность Большого взрыва ». Эта сингулярность не понимается как имеющая физическое значение в обычном смысле, но удобно указать времена, измеренные «после Большого взрыва», даже если они не соответствуют времени, которое действительно можно измерить физически.

Хотя теоретически Вселенная могла бы иметь более длительную историю, Международный астрономический союз в настоящее время использует термин «возраст Вселенной» для обозначения продолжительности расширения Lambda-CDM. или, что то же самое, время, прошедшее в наблюдаемой в настоящее время Вселенной с момента Большого взрыва.

В июле 2023 года исследование, опубликованное в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества», установило, что возраст Вселенной составляет 26,7 миллиардов лет. 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. 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. Гупта говорит о своей новой теории: «Таким образом, она решает проблему «невозможной ранней галактики», не требуя существования первичных зародышей черных дыр или модифицированного энергетического спектра».

наблюдений

Поскольку Вселенная должна быть по крайней мере столь же старой, как и самые старые объекты в ней, существует ряд наблюдений, которые устанавливают нижний предел возраста Вселенной; к ним относятся

• температура самых холодных белых карликов , которые с возрастом постепенно остывают, и
• самая тусклая точка поворота звезд главной последовательности . в скоплениях (звезды с меньшей массой проводят больше времени на главной последовательности, поэтому звезды с наименьшей массой, развившиеся вдали от главной последовательности, устанавливают минимальный возраст)

Космологические параметры

Возраст Вселенной можно определить, измерив сегодня постоянную Хаббла и экстраполировав во времени наблюдаемое значение параметров плотности ( $~\Omega ~$). До открытия темной энергии считалось, что во Вселенной доминирует материя ( вселенная Эйнштейна-де Ситтера , зеленая кривая). Вселенная де Ситтера имеет бесконечный возраст, а закрытая вселенная имеет наименьший возраст.

Значение возрастного поправочного коэффициента, $~F~,$ показана как функция двух космологических параметров : текущей дробной плотности материи $~\Omega _{\text{m}}~$ и космологическая постоянная плотность $~\Omega _{\Lambda }~.$Наилучшие значения этих параметров показаны в рамке в левом верхнем углу; Вселенная, в которой доминирует материя, показана звездой в правом нижнем углу.

Проблема определения возраста Вселенной тесно связана с проблемой определения значений космологических параметров. Сегодня это в основном осуществляется в контексте модели ΛCDM , где предполагается, что Вселенная содержит нормальную (барионную) материю, холодную темную материю , излучение (включая как фотоны , так и нейтрино ) и космологическую постоянную .

Дробный вклад каждого в текущую плотность энергии Вселенной определяется параметрами плотности $~\Omega _{\text{m}}~,$ $~\Omega _{\text{r}}~,$ и $~\Omega _{\Lambda }~.$ Полная модель ΛCDM описывается рядом других параметров, но для расчета ее возраста эти три, а также параметр Хаббла $~H_{0}~$, являются наиболее важными.

Если иметь точные измерения этих параметров, то возраст Вселенной можно определить с помощью уравнения Фридмана . Это уравнение связывает скорость изменения масштабного коэффициента $~a(t)~$к материальному содержанию Вселенной. Перевернув это соотношение, мы можем вычислить изменение во времени на изменение масштабного коэффициента и, таким образом, вычислить общий возраст Вселенной, интегрировав эту формулу. Возраст $~t_{0}~$ тогда задается выражением вида

$t_{0}={\frac {1}{H_{0}}}\,F(\,\Omega _{\text{r}},\,\Omega _{\text{m}},\,\Omega _{\Lambda },\,\dots \,)~$

где $~H_{0}~$ – параметр Хаббла и функция $~F~$зависит только от дробного вклада в энергетическое содержание Вселенной, которое вносят различные компоненты. Первое наблюдение, которое можно сделать из этой формулы, заключается в том, что именно параметр Хаббла контролирует возраст Вселенной с поправкой, обусловленной содержанием материи и энергии. Таким образом, грубая оценка возраста Вселенной получается на основе времени Хаббла , обратного параметру Хаббла. Со значением для $~H_{0}~$ около 69 км/с/Мпк , время Хаббла оценивается как $~1/H_{0}=~$14,5 миллиардов лет.

Чтобы получить более точное число, функция коррекции $~F~$необходимо вычислить. В общем, это должно быть сделано численно, и результаты для диапазона значений космологических параметров показаны на рисунке. Для планковских значений $~(\Omega _{\text{m}},\Omega _{\Lambda })=~$(0,3086, 0,6914), показанный рамкой в ​​верхнем левом углу рисунка, этот поправочный коэффициент составляет около $~F=0.956~.$ Для плоской Вселенной без какой-либо космологической постоянной, показанной звездой в правом нижнем углу, $~F={2}/{3}~$намного меньше, и, следовательно, Вселенная моложе при фиксированном значении параметра Хаббла. Чтобы сделать эту фигуру, $~\Omega _{\text{r}}~$ поддерживается постоянным (примерно эквивалентно поддержанию постоянной температуры космического микроволнового фона ), а параметр плотности кривизны фиксируется значением трех других.

Помимо спутника «Планк», микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона ( WMAP важную роль в установлении точного возраста Вселенной сыграл ), хотя для получения точных цифр необходимо учитывать и другие измерения. Измерения реликтового излучения очень хороши для определения содержания вещества. $~\Omega _{\text{m}}~,$ и параметр кривизны $~\Omega _{\text{k}}~.$ Это не так чувствительно к $~\Omega _{\Lambda }~$ напрямую, отчасти потому, что космологическая постоянная становится важной только при низком красном смещении. Наиболее точные определения параметра Хаббла $~H_{0}~$В настоящее время считается, что они происходят 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 «старее» при фиксированных значениях остальных параметров. Это важно, поскольку до того, как космологическая постоянная стала общепринятой, модель Большого взрыва с трудом могла объяснить, почему шаровые скопления в Млечном Пути оказались намного старше возраста Вселенной, рассчитанного на основе параметра Хаббла и Вселенной, состоящей только из материи. . Введение космологической постоянной позволяет Вселенной быть старше этих скоплений, а также объясняет другие особенности, которые не могла объяснить космологическая модель, основанная только на материи.

WMAP

В 2012 году в рамках проекта НАСА ( по исследованию микроволновой анизотропии Уилкинсона WMAP) в девятилетнем выпуске данных возраст Вселенной оценивался в (13,772 ± 0,059) × 10. ⁹ лет (13,772 миллиарда лет, с неопределенностью плюс-минус 59 миллионов лет).

Этот возраст основан на предположении, что базовая модель проекта верна; другие методы оценки возраста Вселенной могли бы дать другой возраст. Например, допущение наличия дополнительного фона из релятивистских частиц может увеличить планку ошибок ограничения WMAP на один порядок.

Это измерение проводится 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. Если предположить достоверность моделей, использованных для определения этого возраста, остаточная точность дает погрешность около одного процента.

Планк

В 2015 году Коллаборация Планка оценила возраст Вселенной в 13,813 ± 0,038 миллиарда лет, что немного выше, но в пределах погрешностей более раннего числа, полученного на основе данных WMAP.

В таблице ниже цифры находятся в пределах доверительного интервала 68% для базовой модели ΛCDM .

Космологические параметры по результатам Планка 2015 г.

Параметр	Символ	ТТ + лоуП	ТТ + лоуП + линзирование	ТТ + lowP + линзирование + доп.	TT, TE, EE + lowP	ТТ, ТЕ, ЕЕ + лоуП + линзирование	ТТ, ТЕ, ЕЕ + lowP + линзирование + доб.
Возраст Вселенной (к)	$t_{0}$	13.813 ± 0.038	13.799 ± 0.038	13.796 ± 0.029	13.813 ± 0.026	13.807 ± 0.026	13.799 ± 0.021
постоянная Хаббла ( km ⁄ Mpc⋅s )	$H_{0}$	67.31 ± 0.96	67.81 ± 0.92	67.90 ± 0.55	67.27 ± 0.66	67.51 ± 0.64	67.74 ± 0.46

Легенда:

• TT , TE , EE : космического микроволнового фона (CMB) Планка. Спектры мощности
• lowP : данные о поляризации Планка с низкой вероятностью.
• линзирование CMB линзирования : реконструкция
• ext : Внешние данные (BAO+JLA+H0). BAO: Барионные акустические колебания , JLA: Совместный анализ кривой блеска , H0: Постоянная Хаббла

В 2018 году Коллаборация Планка обновила оценку возраста Вселенной до 13,787 ± 0,020 миллиарда лет.

сильных

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, включает в себя устранение потенциальных ошибок в других частях модели, чтобы преобразовать точность фактических данных наблюдений непосредственно в окончательный результат. Как отмечается в сопроводительном предостережении, это не действительная процедура во всех контекстах: «при условии, что базовая модель проекта правильна». Таким образом, указанный возраст соответствует указанной ошибке, поскольку он представляет собой ошибку инструмента, используемого для сбора необработанных данных, вводимых в модель.

Возраст Вселенной, основанный только на данных Planck 2018, составляет 13,787 ± 0,020 миллиарда лет. Это число представляет собой точное «прямое» измерение возраста Вселенной, в отличие от других методов, которые обычно используют закон Хаббла и возраст самых старых 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 лучше избежать этой проблемы, обычно демонстрируют два набора неопределенностей; один связан с фактическим измерением, а другой — с систематическими ошибками используемой модели.

Таким образом , важным компонентом анализа данных, используемых для определения возраста Вселенной (например, из Планка ), является использование байесовского статистического анализа, который нормализует результаты на основе априорных данных (т.е. модели). Это количественно определяет любую неопределенность в точности измерения, связанную с конкретной используемой моделью.

См. также

• Возраст Земли - Научное датирование возраста Земли.
• Антропный принцип - Гипотеза о разумной жизни и Вселенной.
• Космический календарь - метод визуализации хронологии Вселенной (возраст Вселенной масштабируется до одного года).
• Dark Ages Radio Explorer - Предлагаемая концепция лунного орбитального аппарата
• Расширение Вселенной . Увеличение расстояния между частями Вселенной с течением времени.
• Hubble Deep Field – изображение глубокого космоса в созвездии Большой Медведицы с многократной экспозицией.
• Проект Illustris – Вселенные, смоделированные компьютером.
• Космический телескоп Джеймса Уэбба - космический телескоп НАСА / ЕКА / ККА, запущенный в 2021 году.
• Мультивселенная - гипотетическая группа нескольких вселенных.
• Наблюдаемая Вселенная - весь космос, наблюдаемый с Земли в настоящее время.
• Наблюдательная космология - Исследование происхождения Вселенной (структура и эволюция)
• Наблюдения за красным смещением в астрономии - Изменение длины волны фотонов во время путешествия
• Статическая вселенная - космологическая модель, в которой Вселенная не расширяется.
• Первые три минуты - книга Стивена Вайнберга, 1977 г.
• Хронология далекого будущего - Научные прогнозы относительно далекого будущего.

Внешние ссылки

• Райт, Нед. «Урок космологии» . Отдел астрономии и астрофизики (персональный сайт академика). Калифорнийский университет, Лос-Анджелес .
• Райт, Эдвард Л. (2 июля 2005 г.). «Возраст Вселенной» . Отдел астрономии и астрофизики (персональный сайт академика). Калифорнийский университет, Лос-Анджелес .
• Ху, Уэйн. «Анимации космологических параметров» (персональный сайт академика). У. Чикаго .
• Острайкер, JP; Стейнхардт, П.Дж. (1995). «Космическое согласие». arXiv : astro-ph/9505066 .
• «Шаровые звездные скопления» . СЭДС . Архивировано из оригинала 30 апреля 2015 года.
• Скотт, Дуглас. "Независимые оценки возраста" (персональный сайт академика). Ванкувер, Британская Колумбия: Университет Британской Колумбии .
• «Масштаб Вселенной» . КриссТал . — Пространство и время настроены для начинающих.
• «Космологический калькулятор (с построением графиков)» . iКосмос .
• «Расширяющаяся Вселенная» . Американский институт физики .