Как учёные определили возраст Вселенной

Возраст Вселенной составляет примерно 13,8 миллиарда лет. Эту величину астрономы определили с помощью наблюдений за расширением космоса, исследования реликтового излучения и оценки возраста древнейших звёзд. Наиболее точные расчёты основаны на данных космического телескопа «Планк» и стандартной космологической модели.

Увидеть момент Большого взрыва непосредственно невозможно. Однако свет далёких галактик и излучение, сохранившееся с ранних этапов существования Вселенной, позволяют восстановить её историю и рассчитать время, прошедшее с начала горячей стадии расширения.

Как расширение Вселенной позволяет определить её возраст

В 1920-х годах астрономы установили, что свет большинства далёких галактик смещён в красную область спектра. Чем дальше находится галактика, тем быстрее увеличивается расстояние между ней и наблюдателем вследствие расширения пространства.

Эта зависимость известна как закон Хаббла — Леметра. Если сегодня расстояния между галактиками увеличиваются, то в прошлом они были меньше. Зная скорость расширения и её изменение со временем, можно рассчитать возраст Вселенной.

Современную скорость расширения характеризует постоянная Хаббла. Её измеряют в километрах в секунду на мегапарсек, причём один мегапарсек соответствует примерно 3,26 миллиона световых лет.

По результатам космической миссии «Планк», постоянная Хаббла составляет около 67,4 км/с на мегапарсек. Если просто вычислить обратную величину, получится примерно 14,5 миллиарда лет.

Однако это не точный возраст Вселенной. На протяжении её истории скорость расширения менялась: гравитация материи замедляла расширение, а позднее влияние тёмной энергии привело к его ускорению. Поэтому космологам необходимо учитывать не только современное состояние космоса, но и всю историю его эволюции.

Как реликтовое излучение помогло установить возраст Вселенной

Наиболее точные оценки удалось получить благодаря реликтовому излучению — слабому электромагнитному излучению, оставшемуся после раннего этапа существования Вселенной.

В первые сотни тысяч лет космос был заполнен горячей плазмой, состоявшей из атомных ядер, электронов и фотонов. Свет постоянно взаимодействовал с заряженными частицами, поэтому вещество оставалось непрозрачным.

Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что электроны смогли соединяться с ядрами. Образовались нейтральные атомы, а излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве.

За миллиарды лет расширение Вселенной увеличило длины волн этого света. Сегодня реликтовое излучение наблюдается в микроволновом диапазоне, а соответствующая ему температура составляет около −270,4 °C.

Хотя излучение почти одинаково во всех направлениях, в нём присутствуют небольшие температурные неоднородности. Они отражают различия плотности вещества в молодой Вселенной и содержат сведения о её составе, геометрии и расширении.

Что измерил космический телескоп «Планк»

Аппарат «Планк» Европейского космического агентства проводил наблюдения с 2009 по 2013 год. Он создал подробные карты реликтового излучения и измерил распределение температурных неоднородностей по всему небу.

Исследователи сравнили полученные данные с расчётами стандартной космологической модели ΛCDM, учитывающей обычную материю, тёмную материю и тёмную энергию.

В результате анализа данных миссии «Планк» возраст Вселенной был оценён в 13,797 миллиарда лет со статистической неопределённостью около 23 миллионов лет.

Это один из наиболее точных результатов современной космологии. Однако его точность зависит от справедливости используемой модели: изменение представлений о составе Вселенной или истории её расширения может повлиять на итоговую оценку.

Как возраст древнейших звёзд подтверждает расчёты

Возраст Вселенной можно проверить независимым способом — изучая самые старые звёзды. Поскольку звезда не может возникнуть раньше самой Вселенной, её возраст устанавливает нижнюю границу возраста космоса.

Особенно полезны шаровые звёздные скопления, содержащие десятки и сотни тысяч древних звёзд, сформировавшихся приблизительно в одно время.

Продолжительность жизни звезды зависит прежде всего от её массы. Массивные звёзды расходуют термоядерное топливо быстрее, тогда как маломассивные способны существовать многие миллиарды лет.

Астрономы изучают зависимость светимости звёзд от их температуры и определяют, какие из них уже покинули главную последовательность — длительный этап термоядерного превращения водорода в гелий. По этим данным можно оценить возраст скопления.

Например, исследование шарового скопления M92 дало оценку около 13,8 миллиарда лет. Неопределённость измерения составляла приблизительно 750 миллионов лет, поэтому результат согласуется с общепринятым возрастом Вселенной.

Другой метод основан на изучении белых карликов — плотных остатков звёзд, постепенно теряющих накопленное тепло. По их температуре и светимости можно рассчитать продолжительность охлаждения, а затем добавить время предыдущей звёздной эволюции.

Такие измерения имеют собственные погрешности, но важны тем, что опираются на физику звёзд, а не на расчёты космологического расширения.

Почему существуют разные оценки возраста Вселенной

Одна из нерешённых проблем современной космологии связана с расхождением измерений постоянной Хаббла.

Наблюдения реликтового излучения в рамках стандартной модели дают значение около 67,4 км/с на мегапарсек. В то же время некоторые измерения расстояний до галактик с помощью цефеид и сверхновых типа Ia указывают на более высокое значение — примерно 73 км/с на мегапарсек.

Это расхождение получило название «напряжение Хаббла». Оно может быть связано с неучтёнными погрешностями наблюдений или с особенностями физики Вселенной, которые пока недостаточно хорошо описываются существующей моделью.

Для проверки измерений применяются новые инструменты. Например, наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» помогают уточнять расстояния до галактик и исследовать возможные источники систематических ошибок.

Само по себе расхождение значений постоянной Хаббла не опровергает возраст в 13,8 миллиарда лет. Однако оно показывает, что некоторые детали космологической модели требуют дальнейшей проверки.

Почему нельзя увидеть момент Большого взрыва

Чем дальше находится галактика, тем дольше её свет движется к Земле. Поэтому наблюдения удалённых объектов позволяют изучать Вселенную такой, какой она была миллиарды лет назад.

Однако электромагнитное излучение не даёт возможности непосредственно заглянуть в первые мгновения после Большого взрыва. До образования нейтральных атомов горячая плазма постоянно рассеивала фотоны, препятствуя свободному распространению света.

Реликтовое излучение показывает состояние Вселенной примерно через 380 тысяч лет после начала расширения. Сведения о более ранних событиях исследователи получают косвенными методами.

Один из них — изучение первичного нуклеосинтеза, во время которого в первые минуты существования горячей Вселенной образовались лёгкие атомные ядра. Расчётные соотношения водорода, гелия и небольшого количества лития сопоставляют с астрономическими наблюдениями.

В будущем дополнительную информацию о ранней Вселенной могут предоставить первичные гравитационные волны, если их удастся обнаружить и достоверно отличить от других сигналов.

Насколько точно известен возраст Вселенной

Значение 13,8 миллиарда лет согласуется с данными реликтового излучения и оценками возраста древнейших звёздных систем. Это делает его хорошо обоснованной величиной в рамках современной космологии.

При этом формальная точность расчётов не устраняет всех вопросов о происхождении и эволюции космоса. Природа тёмной материи и тёмной энергии остаётся неизвестной, а различия между некоторыми измерениями скорости расширения ещё не получили общепринятого объяснения.

Новые наблюдения позволяют постепенно уточнять космологические параметры и проверять теоретические предположения. Сопоставление данных о звёздах, галактиках и реликтовом излучении помогает восстановить историю Вселенной от первых этапов её расширения до формирования современных космических структур.