На колко години е Вселената?

Мъдреците от Вавилон и Гърция считали Вселената за вечна и неизменна, а индуистките летописеци през 150 г. пр.н.е. те определиха, че той е точно на 1 972 949 091 години (между другото, в порядък, те не бяха много грешни!). През 1642 г. английският богослов Джон Лайтфут, чрез строг анализ на библейски текстове, изчислява, че създаването на света е станало през 3929 г. пр.н.е. няколко години по-късно ирландският епископ Джеймс Ашър го премества на 4004г. Основателите на съвременната наука Йоханес Кеплер и Исак Нютон също не подминават тази тема. Въпреки че апелират не само към Библията, но и към астрономията, резултатите им се оказват сходни с изчисленията на богословите - 3993 и 3988 г. пр.н.е. В нашето просветлено време епохата на Вселената се определя по други начини. За да ги видите в историческа проекция, първо разгледайте нашата собствена планета и нейната космическа среда.

Астрономите са проучили подробно ранната биография на Вселената. Но по отношение на точната й възраст, те се съмняваха, че могат да бъдат разсеяни едва през последните няколко десетилетия.

Късмета

През втората половина на 18 век учените започват да оценяват възрастта на Земята и Слънцето въз основа на физически модели. Така през 1787 г. френският натуралист Жорж-Луи Леклерк стига до извода, че ако нашата планета по рождение е топка от разтопено желязо, ще трябва да бъде от 75 до 168 хиляди години, за да се охлади до сегашната си температура. След 108 години ирландският математик и инженер Джон Пери преизчисли топлинната история на Земята и определи нейната възраст на 2-3 милиарда години. В самото начало на 20 век лорд Келвин стигна до извода, че ако Слънцето постепенно се свива и свети единствено поради освобождаването на гравитационната енергия, тогава нейната възраст (и следователно максималната възраст на Земята и други планети) може да бъде няколкостотин милиона години. Но по онова време геолозите не можеха нито да потвърдят, нито да отрекат тези оценки поради липсата на надеждни методи за геохронология.

В средата на първото десетилетие на ХХ век Ърнест Ръдърфорд и американският химик Бертрам Болтвуд разработват основите на радиометричното датиране на земните скали, което показва, че Пери е много по-близо до истината. През 1920-те години са открити проби от минерали, чиято радиометрична възраст наближава 2 милиарда години. По-късно геолозите многократно увеличават тази стойност и до този момент тя се е удвоила до 4, 4 млрд. Допълнителни данни са предоставени от изследването на „небесни камъни“ - метеорити. Почти всички радиометрични оценки на тяхната възраст попадат в рамките на 4, 4–4, 6 милиарда години.

Съвременната хелиосеизмология може директно да определи възрастта на Слънцето, която според последните данни е 4, 56 - 4, 58 милиарда години. Тъй като продължителността на гравитационната кондензация на прото-слънчевия облак беше оценена на едва милиони години, може с увереност да се твърди, че от началото на този процес до наши дни не са минали повече от 4, 6 милиарда години. В този случай слънчевата субстанция съдържа много елементи, по-тежки от хелия, които са се образували в термоядрените пещи на масивни звезди от предишни поколения, изгорени и експлодирани от свръхнови. Това означава, че продължителността на съществуването на Вселената значително надвишава възрастта на Слънчевата система. За да определите мярката на този излишък, първо трябва да отидете в нашата Галактика, а след това и след това.

Зашеметяващ образ на галактиката на 15 милиона светлинни години от нас

Следвайки белите джуджета

Животът на нашата Галактика може да бъде определен по различни начини, но ще се ограничим до двата най-надеждни. Първият метод се основава на наблюдение на сиянието на белите джуджета. Тези компактни (приблизително с размерите на Земята) и първоначално много горещи небесни тела представляват последния етап от живота на почти всички звезди, с изключение на най-масивните. За да се превърне в бяло джудже, звезда трябва напълно да изгори цялото си термоядрено гориво и да претърпи няколко бедствия - например, за известно време да се превърне в червен гигант.


Естествен часовник

Според радиометричните датировки най-сивите гнайси на брега на Голямото робско езеро в северозападна Канада сега се считат за най-старите скали на Земята - възрастта им се изчислява на 4, 03 милиарда години. Още по-рано (преди 4.4 милиарда години) най-малките зърна на минерала циркон, естествен циркониев силикат, открит в гнайси в Западна Австралия. И тъй като корабата вече съществуваше в онези дни, нашата планета трябва да е малко по-стара.

Що се отнася до метеоритите, най-точната информация се предоставя от датирането на калциево-алуминиевите включвания в веществото на въглищните хондритни метеорити, които на практика не се променят след образуването му от газо-прашния облак, заобикалящ новороденото Слънце. Радиометричната възраст на такива структури в метеорита Ефремовка, открита през 1962 г. в Павлодарската област на Казахстан, е 4 милиарда 567 милиона години.

Типично бяло джудже е почти изцяло съставено от въглеродни и кислородни йони, потопени в изроден електронен газ и има тънка атмосфера, която е доминирана от водород или хелий. Температурата на повърхността му варира от 8 000 до 40 000 К, докато централната зона се нагрява до милиони и дори десетки милиони градуса. Според теоретичните модели могат да се родят и джуджета, състоящи се главно от кислород, неон и магнезий (в които при определени условия се превръщат звезди с маса от 8 до 10, 5 или дори до 12 слънчеви маси), но тяхното съществуване все още не е доказано. Теорията твърди също, че звездите, поне два пъти по-големи от масата на Слънцето, приключват живота си под формата на хелиеви бели джуджета. Такива звезди са многобройни, но те изгарят водород много бавно и затова живеят в продължение на много десетки и стотици милиони години. Досега те просто нямаха достатъчно време да изтощават водородно гориво (много малко хелиеви джуджета, открити до момента, живеят в бинарни системи и произлизат по съвсем различен начин).

Тъй като бялото джудже не може да поддържа реакции на синтез, то блести поради натрупаната енергия и затова бавно се охлажда. Може да се изчисли скоростта на това охлаждане и на тази основа може да се определи времето, необходимо за понижаване на повърхностната температура от първоначалната (за типично джудже е приблизително 150 000 К) до наблюдаваната. Тъй като се интересуваме от епохата на Галактиката, трябва да търсим най-дълголетните и следователно най-студените бели джуджета. Съвременните телескопи позволяват да се открият вътрегалактични джуджета с повърхностна температура под 4000 K, чиято светимост е 30 000 пъти по-ниска от тази на слънцето. Докато не бъдат намерени - или изобщо не са, или са много малко. От това следва, че нашата Галактика не може да бъде по-стара от 15 милиарда години, в противен случай те биха присъствали в забележими количества.

За датиране на скали се използва анализ на съдържанието на продукти от разпада на различни радиоактивни изотопи в тях. Използват се различни двойки изотопи в зависимост от вида на скалите и датите на датиране.

Това е горната граница на възрастта. А какво ще кажете за дъното? Най-студените бели джуджета, известни в момента, са записани от космическия телескоп Хъбъл през 2002 и 2007 година. Изчисленията показаха, че възрастта им е 11, 5 - 12 милиарда години. Към това трябва да добавим възрастта на звездите на предшественика (от половин милиард до милиард години). От това следва, че Млечният път е най-малко 13 милиарда години. Така че крайната оценка за неговата възраст, базирана на наблюдението на бели джуджета, е около 13-15 милиарда години.

Бал сертификати

Вторият метод се основава на изследването на сферични звездни клъстери, разположени в периферната зона на Млечния път и въртящи се около сърцевината му. Те съдържат от стотици хиляди до повече от милион звезди, свързани чрез взаимно привличане.

Кълбовидните клъстери се намират в почти всички големи галактики, а броят им понякога достига много хиляди. Новите звезди практически не се раждат там, но по-старите тела присъстват в изобилие. Около 160 такива кълбовидни клъстери са регистрирани в нашата Галактика и евентуално ще бъдат открити още две или три дузини. Механизмите на тяхното формиране не са напълно ясни, но най-вероятно много от тях са възникнали малко след раждането на самата Галактика. Следователно датирането на образуването на най-старите кълбови клъстери ни позволява да установим долната граница на галактическата епоха.

Такива запознанства са много технически трудни, но се основават на много проста идея. Всички звездни групи (от свръхмасивни до най-леки) са формирани от един и същ общ газов облак и следователно се раждат почти едновременно. С течение на времето те изгарят основните запаси от водород - някои по-рано, други по-късно. На този етап звездата напуска основната последователност и претърпява редица трансформации, които водят или до пълен гравитационен срив (последван от образуване на неутронна звезда или черна дупка), или до появата на бяло джудже. Следователно, изследването на състава на кълбовидния клъстер ви позволява точно да определите възрастта му. За надеждна статистика броят на изследваните клъстери трябва да бъде поне няколко десетки.

Тази работа беше извършена преди три години от екип от астрономи, които използваха космическия телескоп Хъбъл ACS (Advanvced Camera for Survey). Мониторингът на 41 кълбовидни клъстери от нашата Галактика показа, че средната им възраст е 12, 8 милиарда години. Рекордьорите бяха NGC 6937 и NGC 6752, 7200 и 13 000 светлинни години, отдалечени от Слънцето. Те почти сигурно не са по-млади от 13 милиарда години, а най-вероятният живот на втория клъстер е 13, 4 милиарда години (макар и с грешка плюс или минус милиард).

Масовите звезди от порядъка на слънчевата енергия набъбват и стават червени джуджета, тъй като запасите от водород се изчерпват, след което сърцевината им на хелий се нагрява, когато се компресира и започне изгаряне на хелий. След известно време звездата изхвърля черупката си, образувайки планетна мъглявина и след това преминава в категорията на белите джуджета и след това се охлажда.

Нашата Галактика обаче трябва да е по-стара от своите клъстери. Първите му свръхмасивни звезди избухнаха от свръхновите и изхвърлиха в космоса ядрата на много елементи, в частност, ядрата на стабилния изотоп берилий-берилий-9. Когато кълбовидните клъстери започнаха да се образуват, техните новородени звезди вече съдържаха берилий и колкото повече, по-късно те възникнаха. По съдържанието на берилий в техните атмосфери е възможно да се установи колко струпвания са по-млади от Галактиката. Според данните за NGC 6937 клъстера тази разлика е 200–300 Ма. Така че без голям участък можем да кажем, че възрастта на Млечния път надхвърля 13 милиарда години и евентуално достига 13, 3 - 13, 4 милиарда. Това е почти същата оценка като тази, направена въз основа на наблюдението на бели джуджета, но тя е получена съвсем различно начин.

Закон на Хъбъл

Научното формулиране на въпроса за епохата на Вселената стана възможно едва в началото на втората четвърт на миналия век. В края на 20-те години Едвин Хъбъл и неговият асистент Милтън Хъмсън започват да прецизират разстоянията до десетки мъглявини извън Млечния път, които само няколко години по-рано започват да се считат за независими галактики.

Тези галактики се отдалечават от Слънцето с радиални скорости, които се измерват с величината на червеното изместване на техните спектри. Въпреки че е възможно да се определят разстоянията до повечето от тези галактики с голяма грешка, Хъбъл все пак установява, че те са приблизително пропорционални на радиалните скорости, за които той пише в статия, публикувана в началото на 1929 година. Две години по-късно Хъбъл и Хъмсън потвърдиха това заключение въз основа на наблюдения от други галактики - някои от тях са на повече от 100 милиона светлинни години.

Тези данни са в основата на известната формула v = H0d, известна като закон на Хъбъл. Тук v е радиалната скорост на галактиката по отношение на Земята, d е разстоянието, H0 е коефициентът на пропорционалност, чието измерение, както е лесно да се види, е обратното на измерението на времето (по-рано се наричаше константа на Хъбъл, което е неправилно, тъй като в предишни епохи стойността на H0 беше различна, отколкото в наше време). Самият Хъбъл и много други астрономи дълго време отказваха предположения за физическия смисъл на този параметър. Джордж Лемайтре обаче през 1927 г. показа, че общата теория на относителността ни позволява да тълкуваме разширяването на галактиките като доказателство за разширяването на Вселената. Четири години по-късно той има смелостта да доведе това заключение до своя логичен край, като предположи, че Вселената е възникнала от почти точково ядро, което той поради липса на по-добър термин нарече атом. Този изначален атом може да остане в статично състояние по всяко време до безкрайност, но неговата "експлозия" породи разширяващо се пространство, изпълнено с материя и радиация, което в крайна сметка породи настоящата Вселена. Още в първата си статия Лемет намери пълен аналог на формулата на Хъбъл и, като по това време знае данни за скоростите и разстоянията на редица галактики, той получи приблизително същата стойност на коефициента на пропорционалност между разстоянията и скоростите като Хъбъл. Статията му обаче е публикувана на френски в малко известно белгийско списание и отначало остана незабелязана. За повечето астрономи това става известно едва през 1931 г. след публикуването на английския му превод.

Еволюцията на Вселената се определя от началната скорост на нейното разширяване, както и от ефекта на гравитацията (включително тъмната материя) и антигравитацията (тъмната енергия). В зависимост от връзката между тези фактори, графиката на размера на Вселената има различна форма както в бъдещето, така и в миналото, което се отразява на оценката на нейната възраст. Настоящите наблюдения показват, че Вселената се разширява експоненциално (червена графика).

Време на Хъбъл

От тази работа на Леметър и по-късни творби както на самия Хъбъл, така и на други космолози, директно следва, че възрастта на Вселената (естествено, отчетена от началния момент на нейното разширяване) зависи от стойността 1 / H0, която сега се нарича времето на Хъбъл. Естеството на тази зависимост се определя от конкретен модел на Вселената. Ако приемем, че живеем в плоска вселена, изпълнена с гравитираща материя и радиация, то за да се изчисли нейната възраст, 1 / H0 трябва да се умножи по 2/3.

И тогава имаше шнап. От измерванията на Хъбъл и Хемасън следва, че числовата стойност 1 / H0 е приблизително равна на 1, 8 милиарда години. От това следва, че Вселената се е родила преди 1, 2 милиарда години, което очевидно противоречи дори на твърде подценяваните оценки за възрастта на Земята по онова време. Човек би могъл да се измъкне от тази трудност, ако приемем, че галактиките се разминават по-бавно, отколкото е мислил Хъбъл. С течение на времето това предположение се потвърди, но не реши проблема. Според данни, получени до края на миналия век с помощта на оптична астрономия, 1 / H0 е от 13 до 15 милиарда години. Така че разминаването все още остана, тъй като пространството на Вселената се смяташе за плоско, а две трети от времето на Хъбъл е много по-малко от дори най-скромните оценки за епохата на Галактиката.


Празен свят

Според последните измервания на параметъра Хъбъл, долната граница на времето на Хъбъл е 13, 5 милиарда години, а горната е 14 милиарда. Оказва се, че настоящата възраст на Вселената е приблизително равна на текущото време на Хъбъл. Такова равенство трябва стриктно и неизменно да се спазва за абсолютно празна Вселена, където няма нито гравитационна материя, нито антигравитационни полета. Но в нашия свят има достатъчно и от двете. Факт е, че в началото пространството се разширяваше със забавяне, след това скоростта на разширяването му започна да расте и в настоящата ера тези противоположни тенденции почти се компенсират взаимно.

Най-общо това противоречие е премахнато през 1998 - 1999 г., когато два екипа от астрономи доказаха, че през последните 5-6 милиарда години космическото пространство се разширява не с намаляваща, а с увеличаваща се скорост. Това ускорение обикновено се обяснява с факта, че във Вселената нараства влиянието на антигравитационния фактор, така наречената тъмна енергия, чиято плътност не се променя с времето. Тъй като плътността на гравитиращата материя намалява с разширяването на Космоса, тъмната енергия все повече се конкурира с гравитацията. Продължителността на съществуването на Вселена с антигравитационен компонент не трябва да бъде равна на две трети от времето на Хъбъл. Следователно откриването на ускоряващото се разширяване на Вселената (отбелязано през 2011 г. с Нобеловата награда) даде възможност да се премахне разделението между космологичните и астрономическите оценки за нейния живот. Това също се превърна в прелюдия към разработването на нов метод за запознанство с нейното раждане.

Космически ритми

На 30 юни 2001 г. НАСА пусна в космоса сондата Explorer 80, две години по-късно преименувана на WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Неговото оборудване дава възможност да се регистрират температурни колебания на микровълновото реликвено излъчване с ъглова резолюция по-малко от три десети от 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). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Еволюция на бактерии в реално време
2019
Легендарният съветски атакуващ самолет Су-25
2019
11 най-смешни и нелепи конспиративни теории: свят на влечуги
2019