Как давно появилась наша Вселенная? Этот фундаментальный вопрос занимал умы ученых на протяжении веков. Исследуя звезды и галактики при помощи все более мощных телескопов, космологи кропотливо собирали крупицы информации, позволившие приоткрыть завесу тайны над загадочным рождением космоса. Когда мы смотрим на звезды, мы видим не только их красоту, но и их историю. Свет, который доходит до наших глаз, покинул эти звезды миллионы или даже миллиарды лет назад. Он несет в себе информацию о том, как они выглядели и двигались в тот далекий момент. Но что, если мы могли бы увидеть еще дальше, до самого начала времени? Как мы можем определить, сколько лет Вселенной, в которой мы живем? Это одна из самых захватывающих и сложных загадок космологии, которую мы попытаемся объяснить в этой статье.
Такие космические обсерватории, как телескоп "Хаббл" и космический телескоп "Джеймс Уэбб", предоставили человечеству возможность видеть объекты дальше, чем когда-либо прежде. Когда мы смотрим в ночное небо, мы также смотрим в прошлое. По сравнению со Вселенной в целом, Земля довольно молода: ей 4,5 миллиарда лет. Ученые пришли к этому числу благодаря данным радиометрического датирования, которое измеряет скорость радиоактивного распада элементов с известным периодом полураспада. Лунные камни, древние цирконы, метеориты — все они говорят одно и то же: Земле 4,5 миллиарда лет.
Но с того места, где сейчас находится Земля в наблюдаемой Вселенной, наш взгляд простирается более чем на 13 миллиардов лет в прошлое. Далеко за пределами нашей "Местной группы галактик" астрономы обнаружили галактики, настолько бедные металлами и настолько сильно смещенные в красную область, что, по-видимому, они сформировались менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва, то есть начала нашей известной Вселенной.
Как долго существует Вселенная? По оценкам ученых, возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет с погрешностью плюс-минус два процента.
Но откуда мы это знаем?
Стандартные свечи и лестница космических расстояний
В 1924 году, наблюдая за ночным небом через самый большой на тот момент телескоп в мире, космологи Эдвин Хаббл и Жорж Леметра, сообщили, что почти все галактики удаляются от Земли. Более того, чем дальше находились от нас галактики, тем быстрее они удалялись.
Эдвин Хаббл (слева) и Жорж Леметра (справа) первыми выдвинули гипотезу о расширении Вселенной.
Современные наблюдения, проведенные с помощью телескопа Хаббла и телескопа имени Джеймса Уэбба, подтвердили эту зависимость между расстоянием и скоростью. Мало того, что большинство галактик удаляются от Земли, они также удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной тому, насколько далеко они находятся друг от друга.
Эдвин Хаббл основывал свои расчеты расстояний на космологической "стандартной свече" - переменных цефеидах: звездах, яркость которых находится в сильной и прямой зависимости от периода их пульсации. Переменные цефеид являются важной ступенькой на "лестнице космических расстояний" - системе, с помощью которой астрономы, опираясь на результаты одного наблюдения, делают логические выводы о вещах, расположенных гораздо дальше, чем могут видеть наши телескопы. Еще древнегреческие астрономы выяснили, что для двух звезд одного типа более удаленная звезда будет меньше на небе, но они не знали того, что известно нам сейчас: некоторые типы звезд при определенной яркости больше других. Поскольку мы знаем истинную светимость переменных цефеид, мы можем точно рассчитать расстояние до них. Это позволяет нам измерять расстояние до объектов, находящихся очень далеко.
Свет нашего Солнца имеет меньшую длину волны, когда он исходит со стороны солнечного диска, вращающегося в нашу сторону, и большую длину волны со стороны, вращающейся в сторону от Земли. Это явление, известное как эффект Доплера, аналогично изменению звука сирены при ее приближении и удалении. Хаббл и его современники заметили, что вращающиеся звезды и галактики, чье собственное движение перемещает их относительно Земли, также демонстрируют этот эффект, растягивая или сжимая длину волны своего света в зависимости от того, приближаются они или удаляются. Чем сильнее выражен доплеровский сдвиг, тем быстрее движется объект.
Имея достаточное количество данных о расстоянии и скорости рецессии, космологи могут рассчитать скорость расширения пространства: H0. Учитывая, что галактики движутся все дальше друг от друга, значит, вначале они были ближе друг к другу. Сближая визуально их траектории, мы можем увидеть, где и когда они начались. Отсюда учёные смогут перемотать космическое время назад, чтобы оценить максимальный возраст Вселенной.
Космический микроволновый фон
Время начинается для нас с момента Большого взрыва, когда за крохотную долю секунды взрыв непостижимой величины выбросил наружу огромное количество материи и энергии. В течение первых нескольких пикосекунд после Большого взрыва законы физики сильно отличались от тех, которые действуют в нашей системе отсчета. По мере того, как "первичный глюонный суп" расширялся наружу, он охлаждался, но для этого ему пришлось раздвинуть границы наблюдаемой Вселенной.
Космологи используют различные методы для расчета возраста Вселенной, строя математические модели, чтобы обосновать теорию прямыми наблюдениями. Эта модель получена в ходе миссии ЕКА "Планк" по изучению космического микроволнового фона.
После Большого взрыва, в течение первых 380 000 лет или около того, Вселенная была настолько горячей и плотной, что фактически была непрозрачной. Подобно ядру звезды, электроны были так плотно спрессованы вместе, что фотоны не могли никуда уйти. Когда Вселенная остыла и расширилась, фотоны внезапно смогли найти пути наружу.
Само пространство-время выпустило фотоны в виде колоссального взрыва радиации, последние следы которого мы видим в виде космического микроволнового фона - угасающего свечения остаточного излучения, оставшегося после Большого взрыва спустя столько времени.
Небольшая часть космического микроволнового фона (КМФ) поляризована - она колеблется в предпочтительном направлении. Это результат последней встречи этого света с электронами перед началом его космического путешествия. По этой причине поляризация КМФ хранит информацию о распределении материи в ранней Вселенной, и ее картина на небе повторяет крошечные флуктуации, наблюдаемые в температуре КМФ.
Некоторые фотоны реликтового излучения поляризованы, а это означает, что, путешествуя наружу от своего источника, они вибрируют в «предпочтительном» направлении. Характер поляризации говорит астрономам о последнем взаимодействии между этими фотонами и электронами, которые их задержали когда-то давно, поскольку именно там, где было больше всего электронов, материя была наиболее плотно сконцентрирована.
Проблемы и неизвестные
Все вышесказанное заставляет нас полагать, что у нас есть довольно четкое представление о том, сколько лет Вселенной. По мере совершенствования нашей технологии телескопов неопределенность в наших моделях уменьшается. Но поскольку в космологии нет ничего простого, в ней есть и некоторые несоответствия.
1. Противоречие Хаббла
Свет по мнению ученых подчиняется некоему космическому ограничению скорости, обозначаемому как "c", которое было неотъемлемой частью теории относительности Эйнштейна. Однако само пространство-время не может подвергаться такому же ограничению скорости. Возраст Вселенной 13,8 миллиардов лет, но радиус наблюдаемой Вселенной не составляет 13,8 миллиардов световых лет. Вместо этого наблюдаемая Вселенная имеет диаметр около 46,5 миллиардов световых лет. Это связано с тем, что ткань пространства-времени расширялась с тех пор, как свет, который мы видим, покинул свои отдаленные источники. Скорость ее расширения говорит нам о ее возрасте, но наши основные методы измерения этой скорости дают разные ответы.
Преобладающая модель космологии, называемая моделью лямбда-CDM (лямбда для космологической постоянной; CDM для холодной темной материи — подробнее об этом чуть позже), устанавливает верхнюю границу возраста Вселенной: 14,5 миллиардов лет, максимум. В этой модели темная материя и темная энергия имеют решающее значение для объяснения структуры Вселенной в самых крупных масштабах. Но модель также должна учитывать космический микроволновый фон и изменение скорости расширения Вселенной. В этом и есть загвоздка. Различные наблюдательные источники также дают несколько разные значения возраста Вселенной. Это несоответствие является космологической проблемой, известной как "противоречие Хаббла".
И все же разница очень мала. Например, миссия Европейского космического агентства «Планк» — космический телескоп, запущенный для наблюдения за космическим микроволновым фоном, — предоставила данные, указывающие на возраст 13,787 миллиардов лет. Тем временем проект НАСА по исследованию микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) рассчитал возраст Вселенной 13,772 миллиарда лет.
2. Расширяющееся пространство-время против "уставшего" света
Вселенная должна быть по меньшей мере такой же старой, как и самое старое в ней существо. Самые старые наблюдаемые галактики имеют сильное красное смещение (z = 11 или больше) и, возможно, сформировались в течение нескольких сотен лет после Большого взрыва. Свет от этих объектов преодолел более 13 миллиардов световых лет, чтобы достичь нас.
Чтобы Вселенная была старше примерно 14 миллиардов лет, нам пришлось бы отказаться от большинства предположений из модели лямбда-CDM, которая в остальном соответствует данным наблюдений. Однако в статье Раджендра Гупта 2023 года возраст Вселенной оценивается примерно в два раза больше — 26,7 миллиарда лет. Что же тогда получается?
Логика этой статьи основана на явлении под названием «уставший свет», которое физик Фриц Цвикки предложил в 1929 году для объяснения красного смещения фотонов от удаленных источников.
Фотоны из источника, удаляющегося от нас, по-видимому, меняются на пути сюда. Их длина волны увеличивается, что мы видим как сдвиг цвета в сторону красного. Между тем свет от источника, приближающегося к Земле, похоже, смещается в сторону более высокоэнергетического, «более синего» конца спектра.
Современная космология объясняет это красное смещение как результат расширения самого пространства, достаточно быстрого, чтобы увеличить длину волны движущегося через него фотона. За столетие, прошедшее с момента первого доклада Хаббла, тысячи исследований миллионов звезд и галактик подтвердили его и наблюдения его коллег, и обосновали теорию относительности, не вызывая сомнений. Но «уставший свет» Цвики предполагает, что фотоны теряют энергию при перемещении в пространстве-времени.
Раджендра Гупта, физик из Университета Оттавы и автор статьи об «уставшем свете» 2023 года, признает, что теория утомленного света противоречит наблюдениям. Однако Гупта сказал: «Позволяя этой теории сосуществовать с расширяющейся Вселенной, становится возможным по-новому интерпретировать красное смещение как гибридное явление, а не просто как следствие расширения». Другими словами, мы не знаем физических законов в других уголках Вселенной.
Некоторые астрономы считают, что темная материя выглядит именно так, но мы пока не может ее запечатлеть.
Темная материя
Погрешности в наших измерениях возраста видимой Вселенной и факт существования хаббловского противоречия не делают наши измерения недействительными. Они действительно показывают нам, что наши общепринятые модели нуждаются в некоторой унификации. На первом месте здесь стоит модель лямбда-CDM. Темная материя все еще остается темной лошадкой, и это еще одна проблема.
До сих пор ведутся жаркие споры о том, как темная материя вписывается в общую картину вещей - и существует ли вообще такое понятие, как темная материя или темная энергия. Некоторые астрономы предложили систему модифицированной ньютоновской динамики в качестве альтернативы холодной темной материи или даже более экзотические модели, включая космологию бран, связанную с теорией струн. Тем не менее, для понимания темной материи потребуются некоторые экстраординарные доказательства: множество наблюдений за частицами-кандидатами темной материи и несколько новых блестящих физических моделей для их объяснения.
Будет ли темная материя подтверждена официально, также повлияет на наши ожидания относительно долгосрочного поведения Вселенной. Скорость расширения Вселенной влияет на ее конечную судьбу: тепловая смерть, Большой разрыв, возможный коллапс в новую всеобъемлющую сингулярность или что-то еще.
Если Вселенная расширяется с постоянной скоростью в равновесии с гравитацией, это может продолжаться вечно. Однако люди не смогут этого увидеть. Примерно через два триллиона лет все галактики за пределами нашего местного сверхскопления окажутся настолько далеко, что мы не сможем их увидеть: за космическим горизонтом. Если темная материя преодолеет гравитацию, что приведет к дальнейшему увеличению скорости расширения Вселенной, это ускорит этот график на два триллиона лет. Если же, напротив, гравитация возобладает над темной энергией, то все, что расширилось во Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем, однажды схлопнется обратно в "Большом сжатии".
К счастью, у нас есть достаточно времени, чтобы это выяснить.
