Коли з'явився Всесвіт | Журнал Популярна Механіка

1. Ворожіння по камінню
2. Слідуючи за білими карликами
3. природні годинник
4. кульові свідоцтва
5. закон Хаббла
6. Хаббловском час
7. порожній світ
8. космічні ритми

Люди з давніх часів цікавилися віком Всесвіту. І хоча у неї не можна запитати паспорт, щоб подивитися дату народження, сучасна наука змогла відповісти на це питання. Правда, лише зовсім недавно.

Мудреці Вавилона і Греції вважали світобудову вічним і незмінним, а індуїстські хроністи в 150 році до н.е. визначили, що йому в точності 1 972 949 091 рік (до речі, своєю чергою величини вони не сильно помилилися!). У 1642 році англійський теолог Джон Лайтфут шляхом скрупульозного аналізу біблійних текстів обчислив, що створення світу довелося на 3929 рік до н.е .; через кілька років ірландський єпископ Джеймс Ашер пересунув його на 4004 рік. Засновники сучасної науки Йоганн Кеплер і Ісаак Ньютон теж не оминули увагою цієї теми. Хоча вони апелювали не тільки до Біблії, а й до астрономії, їх результати виявилися схожими на обчислення богословів - 3993 і 3988 роки до н.е. У наш освічений час вік Всесвіту визначають іншими способами. Щоб побачити їх в історичній проекції, спочатку поглянемо на власну планету і її космічне оточення.

Астрономи детально вивчили ранню біографію Всесвіту. Але щодо її точного віку у них були сумніви, які вдалося розвіяти тільки в останні пару десятків років.

Ворожіння по камінню

З другої половини XVIII століття вчені почали оцінювати вік Землі і Сонця на основі фізичних моделей. Так, в 1787 році французький натураліст Жорж-Луї Леклерк прийшов до висновку, що, якби наша планета при народженні була кулею з розплавленого заліза, їй потрібно було б від 75 до 168 тисяч років, щоб охолонути до нинішньої температури. Через 108 років ірландський математик і інженер Джон Перрі заново прорахував теплову історію Землі і визначив її вік в 2-3 млрд років. На самому початку XX століття лорд Кельвін прийшов до висновку, що якщо Сонце поступово стискається і світить виключно за рахунок вивільнення гравітаційної енергії, то його вік (і, отже, максимальний вік Землі та інших планет) може скласти кілька сотень мільйонів років. Але в той час геологи не змогли ні підтвердити, ні спростувати ці оцінки через відсутність надійних методів геохронології.

В середині першого десятиліття ХХ століття Ернест Резерфорд і американський хімік Бертрам Болтвуд розробили основи радіометричної датування земних порід, яка показала, що Перрі був багато ближче до істини. У 1920-х були знайдені зразки мінералів, чий радіометричний вік наближався до 2 млрд років. Пізніше геологи не раз підвищували цю величину, і до теперішнього часу вона зросла більш ніж удвічі - до 4,4 млрд. Додаткові дані надає дослідження «небесних каменів» - метеоритів. Майже всі радіометричні оцінки їх віку укладаються в інтервал 4,4-4,6 млрд років.

Сучасна геліосейсмологія дозволяє безпосередньо визначити і вік Сонця, який, за останніми даними, становить 4,56 - 4,58 млрд років. Оскільки тривалість гравітаційноїконденсації протосонячній хмари обчислювалася всього лише мільйонами років, можна впевнено стверджувати, що від початку цього процесу до наших днів минуло не більше 4,6 млрд років. При цьому сонячне речовина містить безліч елементів, важчих за гелій, які утворилися в термоядерних топках масивних зірок попередніх поколінь, вигорілих і вибухнули надновими. Це означає, що протяжність існування Всесвіту сильно перевищує вік Сонячної системи. Щоб визначити міру цього перевищення, потрібно вийти спочатку в нашу Галактику, а потім і за її межі.

Слідуючи за білими карликами

Час життя нашої Галактики можна визначати різними способами, але ми обмежимося двома найнадійнішими. Перший метод заснований на моніторингу світіння білих карликів. Ці компактні (приблизно з Землю величиною) і спочатку дуже гарячі небесні тіла представляють собою кінцеву стадію життя практично всіх зірок за винятком самих масивних. Для перетворення в білий карлик зірка повинна повністю спалити весь свій термоядерна паливо і зазнати кілька катаклізмів - наприклад, на якийсь час стати червоним гігантом.

природні годинник

Згідно радіометричної датування, найстарішими породами на Землі зараз вважаються сірі гнейси узбережжя Великого Невільничого озера на північному заході Канади - їх вік визначений в 4,03 мільярда років. Ще раніше (4,4 мільярда років тому) кристалізувалися найдрібніші зерна мінералу циркону, природного силікату цирконію, знайдені в гнейсах на заході Австралії. А раз в ті часи вже існувала земна кора, наша планета повинна бути трохи старший.
Що стосується метеоритів, найбільш точну інформацію дає датування кальцієво-алюмінієвих вкраплень в речовині кам'яновугільних хондрітових метеоритів, яке практично не змінилося після його формування з газо-пилової хмари, що оточував новонароджене Сонце. Радіометричний вік подібних структур в метеориті Ефремовка, знайденому в 1962 році в Павлодарської області Казахстану, становить 4 мільярди 567 мільйонів років.

Типовий білий карлик майже повністю складається з іонів вуглецю і кисню, занурених у вироджений електронний газ, і має тонку атмосферу, в складі якої домінують водень або гелій. Його поверхнева температура становить від 8 000 до 40 000 К, в той час як центральна зона нагріта до мільйонів і навіть десятків мільйонів градусів. Згідно теоретичних моделей, можуть також народжуватися карлики, що складаються переважно з кисню, неону і магнію (в які при певних умовах перетворюються зірки з масою від 8 до 10,5 або навіть до 12 сонячних мас), проте їх існування ще не доведено. Теорія також стверджує, що зірки, як мінімум удвічі поступаються Сонцю по масі, закінчують життя в вигляді гелієвих білих карликів. Такі зірки дуже численні, проте вони спалюють водень вкрай повільно і тому живуть багато десятків і сотні мільйонів років. Поки що їм просто не вистачило часу, щоб вичерпати водневе пальне (дуже нечисленні гелієві карлики, виявлені до теперішнього часу, живуть в подвійних системах і виникли зовсім іншим шляхом).

Коль скоро білий карлик не може підтримувати реакції термоядерного синтезу, він світить за рахунок накопиченої енергії і тому повільно остигає. Темпи цього охолодження можна обчислити і на цій основі визначити час, потрібне для зниження температури поверхні від первісної (для типового карлика це приблизно 150 000 К) до спостережуваної. Оскільки нас цікавить вік Галактики, слід шукати самі довгоживучі, а тому і найхолодніші білі карлики. Сучасні телескопи дозволяють виявити внутрігалактіческой карлики з температурою поверхні менш 4000 К, світність яких в 30 000 разів поступається сонячної. Поки вони не знайдені - або їх немає взагалі, або дуже мало. Звідси випливає, що наша Галактика не може бути старше 15 млрд років, інакше вони б були присутні в помітних кількостях.

Для датування гірських порід використовується аналіз змісту в них продуктів розпаду різних радіоактивних ізотопів. Залежно від типу порід і термінів датування використовуються різні пари ізотопів.

Це верхня межа віку. А що можна сказати про нижню? Найхолодніші з нині відомих білих карликів були зареєстровані космічним телескопом «Хаббл» в 2002 і 2007 роках. Обчислення показали, що їх вік становить 11,5 - 12 млрд років. До цього ще треба додати вік зірок-попередниць (від півмільярда до мільярда років). Звідси випливає, що Чумацький Шлях ніяк не молодше 13 млрд років. Так що остаточна оцінка його віку, отримана на основі спостереження білих карликів, - приблизно 13 - 15 млрд років.

кульові свідоцтва

Другий метод заснований на дослідженні кулястих зоряних скупчень, які перебувають в периферійній зоні Чумацького Шляху і обертаються навколо його ядра. Вони містять від сотень тисяч до більш ніж мільйона зірок, пов'язаних взаємною тяжінням.

Галактики є практично у всіх великих галактиках, причому їх кількість деколи досягає багатьох тисяч. Нові зірки там практично не народжуються, зате літні світила присутні в надлишку. У нашій Галактиці зареєстровано близько 160 таких кульових скупчень, і, можливо, будуть відкриті ще два-три десятка. Механізми їх формування не цілком ясні, проте, найімовірніше, багато хто з них виникли незабаром після народження самої Галактики. Тому датування формування найдавніших кульових скупчень дозволяє встановити і нижню межу галактичного віку.

Така датування вельми складна технічно, але в основі її лежить дуже проста ідея. Всі зірки скупчення (від надмасивних до найлегших) утворюються з одного разом ж газового хмари і тому народжуються практично одночасно. З плином часу вони випалюють основні запаси водню - одні раніше, інші пізніше. На цій стадії зірка залишає головну послідовність і зазнає серію перетворень, які завершуються або повним гравітаційним колапсом (за яким слід формування нейтронної зірки або чорної діри), або виникненням білого карлика. Тому вивчення складу кульового скупчення дозволяє досить точно визначити його вік. Для надійної статистики число вивчених скупчень має скласти не менше кількох десятків.

Таку роботу три роки тому виконала команда астрономів, які користувалися камерою ACS (Advanvced Camera for Survey) космічного телескопа «Хаббл». Моніторинг 41 кульового скупчення нашої Галактики показав, що їх середній вік становить 12,8 млрд років. Рекордсменами виявилися скупчення NGC 6937 і NGC 6752, віддалені від Сонця на 7200 і 13 000 світлових років. Вони майже напевно не молодше 13 млрд років, причому найбільш ймовірний час життя другого скупчення -13,4 мільярдів років (правда, з похибкою плюс-мінус мільярд).

Зірки маси порядку сонячної у міру вичерпання запасів водню розбухають і переходять в категорію червоних карликів, після чого їх гелиевое ядро ​​при стисненні розігрівається і починається горіння гелію. Через деякий час зірка скидають оболонку, утворюючи планетарну туманність, а потім переходить в категорію білих карликів і далі остигає.

Однак ж наша Галактика повинна бути постарше своїх накопичень. Її перші надмасивні зірки вибухали надновими і викидали в космос ядра багатьох елементів, зокрема, ядра стабільного ізотопу берилію-берилію-9. Коли почали формуватися кульові скупчення, їх новонароджені зірки вже містили берилій, причому тим більше, чим пізніше вони виникли. За змістом берилію в їх атмосферах можна з'ясувати, наскільки скупчення молодше Галактики. Як свідчать дані по скупченню NGC 6937, ця різниця становить 200 - 300 млн років. Так що без великої натяжки можна сказати, що вік Чумацького Шляху перевищує 13 млрд років і, можливо, сягає 13,3 - 13,4 млрд. Це практично така ж оцінка, як і зроблена на підставі спостереження білих карликів, але отримана вона зовсім іншим способом.

закон Хаббла

Наукова постановка питання про вік Всесвіту стала можливою лише на початку другої чверті минулого століття. В кінці 1920-х років Едвін Хаббл і його асистент Мілтон Хьюмасон зайнялися уточненням відстаней до десятків туманностей за межами Чумацького Шляху, які лише кілька років до того стали вважати самостійними галактиками.

Ці галактики віддаляються від Сонця з радіальними швидкостями, які були виміряні за величиною червоного зміщення їх спектрів. Хоча дистанції до більшості таких галактик вдалося визначити з великою похибкою, Хаббл все ж з'ясував, що вони приблизно пропорційні радіальним швидкостям, про що і написав у статті, опублікованій на початку 1929 року. Два роки по тому Хаббл і Хьюмасон підтвердили цей висновок на підставі результатів спостережень інших галактик - деякі з них віддалені більш ніж на 100 млн світлових років.

Ці дані лягли в основу славетної формули v = H0d, відомої як закон Хаббла. Тут v - радіальна швидкість галактики по відношенню до Землі, d - відстань, H0 - коефіцієнт пропорційності, чия розмірність, як легко бачити, обернена розмірності часу (раніше його називали постійної Хаббла, що невірно, оскільки в попередні епохи величина H0 була іншою, ніж в наш час). Сам Хаббл і ще багато астрономів довгий час відмовлялися від припущень про фізичному сенсі цього параметра. Однак Жорж Леметр ще в 1927 році показав, що загальна теорія відносності дозволяє інтерпретувати розліт галактик як свідчення розширення Всесвіту. Чотирма роками пізніше він мав сміливість довести цей висновок до логічного кінця, висунувши гіпотезу, що Всесвіт виник з практично точкового зародка, який він, за відсутністю кращого терміну, назвав атомом. Цей первородний атом міг перебувати в статичному стані будь-який час аж до нескінченності, проте його «вибух» породив розширюється простір, заповнений матерією і випромінюванням, яке за кінцеве час дало початок нинішнього Всесвіту. Вже у своїй першій статті Леметр вивів повний аналог Хаббловском формули і, маючи в своєму розпорядженні відомими на той час даними про швидкостях і дистанціях ряду галактик, отримав приблизно таке ж значення коефіцієнта пропорційності між дистанціями і швидкостями, що і Хаббл. Однак його стаття була надрукована французькою мовою в маловідомому бельгійському журналі і спочатку залишилася непоміченою. Більшості астрономів вона стала відома лише в 1931 році після публікації її англійського перекладу.

Еволюція Всесвіту визначається початковою швидкістю її розширення, а також впливом гравітації (в тому числі темної матерії) і антигравітації (темної енергії). Залежно від співвідношення між цим факторами графік розміру Всесвіту має різну форму і в майбутньому, і в минулому, що впливає на оцінку її віку. Поточні спостереження показують, що Всесвіт розширюється експоненціально (червоний графік).

Хаббловском час

З цієї роботи Леметра і пізніших праць як самого Хаббла, так і інших космологів прямо випливало, що вік Всесвіту (природно, відрахований від початкового моменту її розширення) залежить від величини 1 / H0, яку тепер називають Хаббловском часом. Характер цієї залежності визначається конкретною моделлю світобудови. Якщо вважати, що ми живемо в плоскій Всесвіту, заповненої гравитирующего речовиною і випромінюванням, то для обчислення її віку 1 / H0 треба помножити на 2/3.

Тут-то і виникла заковика. З вимірювань Хаббла і Хьюмасон випливало, що чисельна величина 1 / H0 приблизно дорівнює 1,8 млрд років. Звідси випливало, що Всесвіт народився 1,2 млрд років тому, що явно суперечило навіть сильно заниженими в той час оцінками віку Землі. З цієї скрути можна було виплутатися, припустивши, що галактики розлітаються повільніше, ніж вважав Хаббл. Згодом це припущення підтвердилося, але проблеми так і не вирішило. Згідно з даними, отриманими до кінця минулого століття за допомогою оптичної астрономії, 1 / H0 становить від 13 до 15 млрд років. Так що розбіжність все ж залишалося, оскільки простір Всесвіту як вважалося, так і вважається плоским, а дві третини Хаббловском часу сильно менше навіть найскромніших оцінок віку Галактики.

порожній світ

Згідно з останніми вимірюваннями параметра Хаббла нижня межа Хаббловском часу становить 13,5 мільярда років, а верхня - 14 мільярдів. Виходить, що нинішній вік Всесвіту приблизно дорівнює нинішньому Хаббловском часу. Таке рівність має строго і незмінно дотримуватися для абсолютно порожній Всесвіту, де немає ні гравітіруюшей матерії, ні антігравітірующего полів. Але ж в нашому світі вистачає і того, і іншого. Справа в тому, що простір спочатку розширювалося з уповільненням, потім швидкість його розширення стала рости, і в нинішню епоху ці протилежні тенденції майже компенсували один одного.

У загальному вигляді це протиріччя було усунуто в 1998 - 1999 роках, коли дві команди астрономів довели, що останні 5 - 6 млрд років космічний простір розширюється ні з падаючої, а зростаючою швидкістю. Це прискорення зазвичай пояснюють тим, що в нашому Всесвіті зростає вплив антигравітаційного фактора, так званої темної енергії, щільність якої не змінюється з часом. Оскільки щільність гравитирующей матерії падає в міру розширення Космосу, темна енергія все успішніше конкурує з тяжінням. Тривалість існування Всесвіту з антигравітаційної компонентою зовсім не зобов'язана бути дорівнює двом третинам Хаббловском часу. Тому відкриття прискореного розширення Всесвіту (зазначене в 2011 році Нобелівською премією) дозволило усунути розстикування між космологічними і астрономічними оцінками часу її життя. Воно також стало прелюдією до розробки нового методу датування її народження.

космічні ритми

30 червня 2001 року NASA відправіло в космос зонд Explorer 80, через два роки перейменованій в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Його апаратура дозволила реєструвати температурні флуктуації мікрохвильового реліктового випромінювання з кутовим дозволом менше трьох десятих градуса. Тоді вже було відомо, що спектр цього випромінювання майже повністю збігається зі спектром ідеального чорного тіла, нагрітого до 2,725 К, а коливання його температури при «крупнозернистих» вимірах з кутовим дозволом в 10 градусів не перевищують 0,000036 К. Однак на «дрібнозернистої» шкалою зонда WMAP амплітуди таких флуктуацій були в шість разів більше (близько 0,0002 К). Реліктове випромінювання виявилося плямистим, тісно поцяткованим трохи більше і трохи менше нагрітими ділянками.

Флуктуації реліктового випромінювання породжені коливаннями щільності електронно-фотонного газу, який колись заповнював космічний простір. Вона впала майже до нуля приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, коли практично всі вільні електрони з'єдналися з ядрами водню, гелію і літію і тим самим поклали початок нейтральних атомів. Поки цього не сталося, в електронно-фотонному газі поширювалися звукові хвилі, на які впливали гравітаційні поля частинок темної матерії. Ці хвилі, або, як кажуть астрофізики, акустичні осциляції, наклали відбиток на спектр реліктового випромінювання. Цей спектр можна розшифрувати за допомогою теоретичного апарату космології і магнітної гідродинаміки, що дає можливість по-новому оцінити вік Всесвіту. Як показують новітні обчислення, його найбільш ймовірна протяжність становить 13,72 мільярда років. Вона і вважається зараз стандартної оцінкою часу життя Всесвіту. Якщо взяти до уваги всі можливі неточності, допуски і наближення, можна зробити висновок, що, згідно з результатами зонда WMAP, Всесвіт існує від 13,5 до 14 млрд років.

Таким чином, астрономи, оцінюючи вік Всесвіту трьома різними способами, отримали цілком сумісні результати. Тому тепер ми знаємо (або, висловлюючись обережніше, думаємо, що знаємо), коли виникло наше світобудову - в усякому разі, з точністю до декількох сотень мільйонів років. Ймовірно, нащадки внесуть рішення цієї вікової загадки в перелік найбільших досягнень астрономії та астрофізики.

Стаття «Вік світобудови» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2012 ).