Почему именно 13,8 миллиарда лет? Как ученые измерили возраст Вселенной

Представьте: вы живете в 2025 году. Легко, правда? Но что, если я скажу, что на самом деле сейчас может быть 4722 год по китайскому календарю, или 1447-й по мусульманскому? А может, вообще 7534-й год от сотворения мира? В мире существует огромное количество календарей, и каждый ведет свой отсчет времени. Но как ученые определили, что Вселенной 13,8 миллиарда лет? Как они смогли заглянуть в такое далекое прошлое?

Методы измерения возраста: от деревьев до белых карликов

Чтобы определить возраст любого объекта, необходимо найти в нем процесс, подчиняющийся строгой закономерности. Например, у деревьев годичные кольца отражают неравномерный рост тканей. Радиоактивные вещества распадаются с постоянной скоростью, что позволяет определять возраст объектов по остаточной концентрации. А для некоторых металлов используется остаточная намагниченность, поскольку известно, как менялось магнитное поле Земли.

Но как измерить возраст целой Вселенной? Попытка найти древний астероид и подсчитать его кольца, скорее всего, не увенчается успехом. Зато мы можем быть уверены в белых карликах — остатках звёзд, в которых прекратились термоядерные реакции. Они просто остывают, как выключенный утюг. Процесс охлаждения белых карликов длится миллиарды лет, и он довольно прост. Поэтому, измерив степень их остывания, можно вычислить их возраст. Анализ белых карликов в шаровых скоплениях даёт оценку от 12 до 15 миллиардов лет. Это довольно грубая оценка, к тому же это возраст самих звёзд, а не Вселенной. Возможно, она вообще вечна, а мы просто не нашли более древние светила по каким-то причинам. Тем не менее эта оценка даёт нам хотя бы нижнюю границу возраста нашего мира.

Расширение Вселенной: ключ к разгадке

К счастью, был найден другой метод. В конце 1920-х годов астроном Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Галактики удаляются от нас, и если «отмотать» время назад, то получится, что они были в одной точке. Следовательно, Вселенная не вечна, а расширяется из сверхплотного, сверхгорячего состояния. Измерив скорость разбегания галактик, можно вычислить, сколько лет длится это расширение.

У Хаббла получилось около 2 миллиардов лет, что никак не согласовывалось с данными о белых карликах и геологическими данными. Но спустя 20 лет учёные нашли ошибку, пересчитали, и более точный расчёт дал значение 13 миллиардов лет. Уже похоже на правду, но и эта оценка не совсем точна, поскольку она предполагает, что расширение происходило с постоянной скоростью.

А с чего взяли, что это было так? На размер Вселенной влияет её наполнение: вещество, энергия, излучение. Поэтому только скорости галактик недостаточно для определения возраста. Расширение Вселенной может происходить с ускорением, замедлением или вообще с переменной скоростью. И наблюдаемые движения галактик могут соответствовать и 5, и 20, и 300 миллиардам лет. Разброс огромный.

Реликтовое излучение: «фотография» младенческой Вселенной

Чтобы точно определить возраст Вселенной, необходимо измерить содержание всех её компонентов. Но как это сделать, если мы даже не знаем, из чего она состоит? Например, тёмная материя невидима, а о природе тёмной энергии мы вообще не имеем представления.

Казалось бы, задача невыполнима. Но решение было найдено благодаря реликтовому излучению — свету от горячей плазмы, которой была заполнена Вселенная почти сразу после Большого Взрыва. Подобно грому, который доходит до нас через некоторое время после вспышки молнии, реликтовое излучение достигает Земли спустя миллиарды лет. Из-за расширения Вселенной световые волны растягиваются и переходят в радиодиапазон.

Реликтовое излучение позволяет рассчитать кривизну Вселенной, её среднюю плотность, содержание обычной и тёмной материи, тёмной энергии, скорость расширения — всё, что необходимо для восстановления её эволюции и определения возраста. Это словно метеостанция, где есть множество параметров, которые нужно правильно считать.

Акустические осцилляции: «музыка» ранней Вселенной

В первые доли секунды своего существования Вселенная резко расширилась — произошла инфляция. При этом в веществе Вселенной возникли неоднородности — области сгущения и разрежения. Эти сгустки не могли оставаться неподвижными, поэтому во всей Вселенной запустились акустические осцилляции — колебания плотности вещества. Это похоже на колебания маятников разной длины и, соответственно, частоты.

Первые несколько сотен тысяч лет плазма, заполнявшая Вселенную, была непрозрачной для излучения. Но по мере расширения она остывала, и когда температура достигла примерно 3000 К, плазма стала прозрачной. Это случилось через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. Тогда фотоны начали беспрепятственно распространяться во все стороны. От более плотных областей света было больше, от менее плотных — меньше. Таким образом, «снимок» Вселенной на тот момент оказался запечатлён в излучении, которое до сих пор путешествует в пространстве. Это и есть реликтовый фон.

Угловой спектр реликтового излучения: расшифровка послания

Отсканировав всё небо в радиодиапазоне, учёные получили изображение реликтового излучения. После удаления помех и эффектов движения Земли, они увидели однородное излучение с температурой 2,7 Кельвина. Но где же неоднородности? Они оказались в сотни тысяч раз меньше полезного сигнала. Увеличив чувствительность приборов, учёные увидели «мгновенный снимок» акустических колебаний, таящий тайны мироздания.

Все сгустки имеют разный размер, и, отсортировав их от самого большого до самого маленького, учёные построили угловой спектр реликтового излучения. Этот график показывает, что больше всего неоднородностей имеют угловой размер около 1 градуса. Также много сгустков размером 0,4 градуса, 0,2 градуса, 0,15 градуса и так далее.

Такое распределение не случайно. Все акустические осцилляции запустились одновременно из плотного состояния. Какие-то за 380 тысяч лет совершили ровно одно колебание и образовали сгущение. Это самые большие неоднородности на реликтовом фоне. Некоторые сгустки совершили два колебания, другие — три, и так далее. Таким образом, «сфотографировали» волну из маятников и обнаружили те, что оказались в максимальном отклонении.

Мы знаем период осцилляции (380 тысяч лет, 190 тысяч лет, 95 тысяч лет и т. д.) и скорость звука в плазме. Поэтому можем рассчитать реальный размер неоднородностей. Получается, что у нас есть гигантская линейка, лежащая далеко в космосе.

Плоская Вселенная и её состав

По красному смещению 1100 определяем, какое расстояние преодолело реликтовое излучение. Строим треугольник, и в нём все стороны известны. Измеряем углы. Их сумма оказывается равна 180 градусам. Это означает, что наша Вселенная не искривлена, она плоская.

Кривизна Вселенной напрямую зависит от её наполнения веществом и энергией. Плоскому случаю соответствует средняя плотность примерно 5,5 атома водорода на кубический метр. Мы выяснили, насколько наполнена Вселенная, даже не вдаваясь в подробности её состава.

Соотношение между пиками в угловом спектре показывает процентное соотношение компонентов Вселенной. Обычное вещество составляет 5%, тёмная материя — 26%, тёмная энергия — 69%, а излучение — менее 1%.

Возраст Вселенной: 13,8 миллиарда лет

Зная полный состав Вселенной, мы можем восстановить темпы её расширения. Несколько десятков тысяч лет, её размеры росли пропорционально корню из возраста, затем пропорционально возрасту в степени 2/3. То есть расширение замедлялось. А при возрасте 9,8 миллиарда лет Вселенная начала расширяться с ускорением, что продолжается и сейчас.

При таких расчётах возраст Вселенной составляет 13,799 +- 0,021 миллиардов лет. Именно так узнали эту величину.

Конечно, какие-то моменты не удалось объяснить полностью, и вопросы наверняка остались. Но в этой статье была выделена самая суть и основная идея. Если вы хотите во всём разобраться детально, изучите лямбда-CDM-модель — самое точное теоретическое описание Вселенной, максимально согласующееся с экспериментальными данными.

Возраст Вселенной, который мы определили, относится только к той её части, о которой у нас есть теоретические представления. Возможно, она существовала вечно и в ней были и единороги, и вальгаллы, и доллар по 5 копеек. Но той части, которую мы можем наблюдать, изучать и описывать, 13,8 миллиарда лет. И пока у нас нет никаких оснований полагать, что есть что-то ещё.