Размер вселенной

Методы определения возраста Вселенной

Сколько лет Вселенной? Перед тем как пытаться это выяснить, стоит заметить, что её возраст считается от момента Большого взрыва. На сегодня никто не может утверждать с полной уверенностью, сколько лет назад появилась Вселенная. Если просматривать тенденцию, то со временем учёные приходят к выводу, что её возраст больше, чем считалось ранее.

Последние вычисления учёных показывают, что возраст нашей Вселенной составляет 13,75±0,13 миллиардов лет. По мнению некоторых специалистов, конечная цифра может быть пересмотрена в ближайшее время и скорректирована до пятнадцати миллиардов лет.

Современный способ оценки возраста космического пространства базируется на изучении «древних» звёзд, скоплений и неразвившихся объектов космоса. Технология вычисления возраста Вселенной – сложный и ёмкий процесс. Мы рассмотрим лишь некоторые принципы и способы расчётов.

Самая древняя звезда в галактике Млечный Путь

Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, исследователям удалось обнаружить самую старую звезду во Вселенной. Как пишут авторы научной работы, группа астрономов наблюдала звезду, которая вполне может оказаться почти такой же древней, как сама Вселенная. По мнению ученых, у красного гиганта, который вскоре станет сверхновой, самый низкий уровень железа по сравнению с другими известными на сегодняшний день звездными объектами.

Крайне низкое содержание железа в красном гиганте привело исследователей к выводу, что звезда родилась во времена, когда другие звезды во Вселенной не содержали такое количество элементов, как сегодня

Авторы статьи также обращают внимание на то, что звезда находится на последней стадии своей эволюции – массивные красные гиганты, как правило, заканчивают жизнь вспышкой сверхновой, после чего становятся либо нейтронными звездами (самыми плотными объектами во Вселенной), либо коллапсируют в черные дыры. Космос – очень загадочное место

Звезда, которую обнаружила международная команда исследователей, была идентифицирована как SMSS J160540. 18-144323.1. Примечательно, что она расположена в пределах галактики Млечный Путь и находится примерно в 35 000 световых лет от Земли. Наблюдая за звездой, ученые обнаружили, что она содержит самый низкий уровень железа из всех известных звезд во всей галактике.

Этот красный гигант – самая древняя звезда в галактике Млечный Путь

Таким образом, открытие позволяет предположить, что SMSS J160540.18-144323.1 принадлежит к древней группе звезд, жизненный путь которых можно проследить вплоть до Большого Взрыва – главного космического события, создавшего вселенную 13,8 миллиарда лет назад.

Если подвести краткий итог результатам последних научных исследований, то очевидно становится три вещи: во-первых, звезда SMSS J160540.18-144323.1 скоро израсходует все топливо, питающее ее и станет сверхновой; во-вторых, ученые пока не могут точно сказать, когда именно во Вселенной появились первые звезды. Но это также означает, что будущие исследования, несомненно, помогут найти ответ на этот вопрос; и в-третьих, звезда SMSS J160540.18-144323.1 является самой древней в нашей родной галактике.

Как возникло мироздание

Как появилась Вселенная? Что было до этого момента? Как она превратилась в то бесконечное пространство, известное нам сегодня? Было ли это случайностью или закономерным процессом?

После десятилетий дискуссий и яростных споров, физики и астрономы практически пришли к консенсусу относительно того, что мироздание появилось в результате взрыва колоссальной мощности. Он не только породил все вещество во Вселенной, но и определил физические законы, по которым существует известный нам космос. Это называется теория Большого взрыва.

Согласно этой гипотезе, когда-то вся материя каким-то непостижимым образом была собрана в одной небольшой точке с бесконечной температурой и плотностью. Она получила название сингулярности. 13,8 млрд лет назад точка взорвалась, образовав звезды, галактики, их скопления и другие астрономические тела Вселенной.

Почему и как это произошло – непонятно. Ученым приходится выносить за скобки множество вопросов, связанных с природой сингулярности и ее происхождением: законченной физической теории этого этапа истории Вселенной пока не существует. Следует отметить, что есть и другие теории возникновения Вселенной, но они имеют гораздо меньше приверженцев.

Главным доказательством теории Большого взрыва является наличие реликтового излучения. Оно было открыто в 1965 году. Данный феномен возник в результате рекомбинации атомов водорода. Реликтовое излучение можно назвать основным источником информации о том, как была устроена Вселенная миллиарды лет назад. Оно изотропно и равномерно заполняет космическое пространство.

Еще одним аргументом в пользу объективности данной модели является сам факт расширения Вселенной. Собственно говоря, экстраполируя этот процесс в прошлое, ученые и пришли к подобной концепции.

Есть в теории Большого взрыва и слабые места. Если бы мироздание образовалось мгновенно из одной небольшой точки, то должно было существовать неоднородное распределение вещества, чего мы не наблюдаем. Также данная модель не может объяснить, куда подевалась антиматерия, количество которой в «момент творения» не должно было уступать обычной барионной материи. Однако сейчас число античастиц во Вселенной мизерно. Но самый весомый недостаток данной теории – ее неспособность объяснить феномен Большого взрыва, он просто воспринимается как свершившийся факт. Мы не знаем, как выглядела Вселенная до момента сингулярности.

Мы не знаем, как выглядел Большой взрыв и что было до него

Существуют и другие гипотезы зарождения и дальнейшей эволюции мироздания. Долгие годы была популярна модель стационарной Вселенной. Ряд ученых придерживались мнения, что в результате квантовых флуктуаций она возникла из вакуума. В их числе был и знаменитый Стивен Хокинг. Ли Смолин выдвинул теорию о том, что наша, как и другие Вселенные, образовались внутри черных дыр.

Предпринимались попытки улучшить существующую теорию Большого взрыва. Например, существует гипотеза о цикличности Вселенной, согласно которой, рождение из сингулярности – не более чем ее переход из одного состояния в другое. Правда, такой подход противоречит второму закону термодинамики.

Ссылки[править | править код]

^ Возраст Вселенной с Новой Точностью. Восстановленный на 2006-12-29.
^ b Spergel, D. N.; и др. (2003). «Первое-летнее Микроволновое Исследование Анизотропии Wilkinson (WMAP) Наблюдения: Определение(Намерение) Космологических Параметров». Астрофизический Ряд Приложения Журнала 148: 175—194. DOI:10.1086/377226.
^ Вселенная, замеченная под Gran Sasso гора, кажется, старше чем ожидаемый. Иституто Назайонэйл ди Физика Наклер (13 мая 2004).
^ Imbriani, Г; и др. (2004). «Узкое место горения(сжигания) начальника морских операций и возраста Шаровидных Групп». A*A 420: 625—629. DOI:10.1051/0004-6361:20040981.
^ Bolte, M.; C. J. Хоган (3 августа 2002). «Конфликт по возрасту Вселенной». 376: 399—402. DOI:10.1038/376399a0.
^ Prochaska, Джейсон Кс.; и др. (20 сентября 2003). «Отношение Металлических свойств возраста Вселенной в Нейтральном Газе: Первые 100 Заглушенных Ly α Системы». Астрофизический Журнал 595: L9-L12.
^ Loredo, T. J.. Обещание Вывода Bayesian для Астрофизики (PDF).
^ Colistete, R.; J. C. Fabris и S. V. B. Concalves (2005). «Статистика Bayesian и Ограничения Параметра на Обобщенную Газовую Модель Chaplygin Используя SNe ia Данные». Международный Журнал Современной Физики D 14 (5): 775—796. arXiv:astro-ph/0409245.

Возможно, мы просто не все видим?

Необъяснимый факт, указанный выше, открывает целый ряд новых проблем. Некоторые ученые постарались посчитать, сколько потребовалось бы времени для развития этих полностью сформированных галактик. Например, оксфордские ученые пришли к выводу, что размер всей Вселенной может быть в 250 раз больше наблюдаемой.

Мы действительно способны измерить расстояния до объектов в пределах наблюдаемой Вселенной, но то, что находится за этой гранью, нам не известно. Конечно же, никто не говорит, что ученые не пытаются это выяснить, но, как уже говорилось выше, наши возможности ограничены нашим уровнем технического прогресса. Кроме того, не стоит также сразу отбрасывать предположение о том, что ученые, возможно, так никогда и не узнают настоящих размеров всей Вселенной, если учесть все факторы, находящиеся на пути решения этого вопроса.

Шаровые свидетельства

Второй метод основан на исследовании шарообразных звездных скоплений, находящихся в периферийной зоне Млечного Пути и обращающихся вокруг его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных взаимным притяжением.

Шаровые скопления имеются практически во всех крупных галактиках, причем их количество порой достигает многих тысяч. Новые звезды там практически не рождаются, зато пожилые светила присутствуют в избытке. В нашей Галактике зарегистрировано около 160 таких шаровых скоплений, и, возможно, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не вполне ясны, однако, вероятнее всего, многие из них возникли вскоре после рождения самой Галактики. Поэтому датировка формирования древнейших шаровых скоплений позволяет установить и нижнюю границу галактического возраста.

Такая датировка весьма сложна технически, но в основе ее лежит очень простая идея. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного итого же газового облака и потому рождаются практически одновременно. С течением времени они выжигают основные запасы водорода — одни раньше, другие позже. На этой стадии звезда покидает главную последовательность и претерпевает серию превращений, которые завершаются либо полным гравитационным коллапсом (за которым следует формирование нейтронной звезды или черной дыры), либо возникновением белого карлика. Поэтому изучение состава шарового скопления позволяет достаточно точно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно составить не менее нескольких десятков.

Такую работу три года назад выполнила команда астрономов, пользовавшихся камерой ACS (Advanvced Camera for Survey) космического телескопа «Хаббл». Мониторинг 41 шарового скопления нашей Галактики показал, что их средний возраст составляет 12,8 млрд лет. Рекордсменами оказались скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет. Они почти наверняка не моложе 13 млрд лет, причем наиболее вероятное время жизни второго скопления -13,4 млрд лет (правда, с погрешностью плюс-минус миллиард).

Звезды массы порядка солнечной по мере исчерпания запасов водорода разбухают и переходят в категорию красных карликов, после чего их гелиевое ядро при сжатии разогревается и начинается горение гелия. Через некоторое время звезда сбрасывают оболочку, образуя планетарную туманность, а потом переходит в категорию белых карликов и далее остывает.

Однако же наша Галактика должна быть постарше своих скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, в частности, ядра стабильного изотопа бериллия-бериллия-9. Когда начали формироваться шаровые скопления, их новорожденные звезды уже содержали бериллий, причем тем больше, чем позже они возникли. По содержанию бериллия в их атмосферах можно выяснить, насколько скопления моложе Галактики. Как свидетельствуют данные по скоплению NGC 6937, эта разница составляет 200 — 300 млн лет. Так что без большой натяжки можно сказать, что возраст Млечного Пути превышает 13 млрд лет и, возможно, достигает 13,3 — 13,4 млрд. Это практически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но получена она совершенно иным способом.

Что такое космос и каковы его размеры

Рассказывая про размеры Вселенной, нельзя не упомянуть про понятие «космос». Под этим термином понимают часть вселенских просторов, заполненную пустотой, лежащую за пределами атмосфер и оболочек небесных тел. Космос не пустой или полый. Он заполнен межзвездным веществом, состоящим из молекул водорода, кислорода, а также ионизирующего и электромагнитного излучения. Кроме того, присутствует темная материя, о которой уже несколько веков спорят ученые. Многие из них выдвигают гипотезу о том, что эта скрытая масса — связующее звено космического пространства.

Современные астрономы, принимая за точку отсчета нашу планету, различают:

• Ближний космос. Для человека он начинается на высоте порядка 19 километров. Это линия Армстронга, где происходит закипание воды при температуре человеческого тела. У человека, находящегося на этой высоте без скафандра, начинает закипать слюна и слезы. Высота всего в 100 километров считается международным официальным рубежом, после которого начинается космическое пространство.
• Околоземный космос – считается таковым до высоты около 260 тысяч километров. Это высота, до которой сила притяжения Земли превосходит притяжение Солнца. В диапазоне этих высот совершают орбитальные полеты наши космонавты и летают различные спутники.
• Межпланетная область. На этих высотах, а точнее удалениях от Земли совершает свой полет вокруг нашей планеты ее естественный спутник –Луна. На эти расстояния летали только автоматические космические станции и астронавты НАСА при высадке на Луну в 1970 году.
• Межзвездное пространство – удаление от Земли меряется уже в миллиардах километров.
• Межгалактическое пространство, где величины удаления составляют около 5 квинтиллионов километров. Все это ничтожно учитывая размер мироздания.

Хаббловское время

Но вопросом о возрасте мироздания занимался не только телескоп, названый в честь ученого, но и сам ученый, американский астроном Эдвин Хаббл. Ему удалось вывести свою известную формулу v = H*D, где v – скорость расширения Вселенной, D – расстояние от наблюдаемой галактики до наблюдателя, а H – постоянная Хаббла, которая обратно пропорциональна времени. О существовании постоянной Хаббла, как величины, определяющей зависимость между расстоянием до объекта и скоростью его удаления, впервые предположил священник астроном из Бельгии — Жорж Леметр. Согласно его идее, мир произошел из одного, условно говоря, атома, а после — стал расширяться. Позже, эта теория шутливо была названа «Большим Взрывом», но в дальнейшем этот термин прочно закрепился в космологии.

Э.П. Хаббл со снимком галактики Андромеда в руках

Спустя некоторое время, в 1929 году Э. Хаббл получил более точное значение упомянутой постоянной. Очевидно, что возраст мироздания напрямую зависит от постоянной Хаббла. Изначально, используя имеющуюся модель Вселенной, ученые рассчитали, что величину, обратно пропорциональную постоянной Хаббла нужно умножить на 2/3. Однако в таком случае искомая величина составляет около 1,2 млрд лет, число, близкое к тому, что предложили индуисты еще в 150-м году до н.э. Впрочем, к концу XX-го века уже были получены астрономические данные, которые говорили о возрасте 13-15 млрд лет.

Как выяснилось, причиной неправильной оценки стали неверные представления о расширении Вселенной. Только в 1999-м году две группы астрономов смогли доказать, что последние 5-6 млрд лет расширение космического пространства ускоряется, а не замедляется, как считалось ранее. По современным подсчетам этим методом ученые вывели значение 13,798 ± 0,037 лет.

Эволюция Вселенной

Временная хронология формирования Вселенной

Спустя миллиарды лет, когда в пространстве появились атомы и молекулы, под действием гравитации они начали перемещаться относительно друг друга. Этот период ученые назвали Структурной Эпохой.

Уже в первые мгновения после расширения, в пространстве появились простейшие частицы, имеющие световую природу. Примерно через год начинает появляться темная материя. А еще через 380 тыс. лет после снижения температур появляются молекулы, способные образовывать разные вещества.

Эволюция Вселенной

Постепенно частицы сбились в газовые облака огромных масштабов, а еще через некоторое время начали формироваться звезды и планеты, которые обладают взаимным притяжением. Первые галактики образовались спустя 300 млн. лет с момента Большого взрыва. Однако современный вид они приобрели лишь через 10 млрд. лет.

На данный момент Вселенной примерно 13,82 млрд. лет, и ее эволюция далека от завершения. Ученые не сомневаются, что галактики и общая карта пространства еще не раз поменяются, пока не придут к своей конечной форме.

Интересный факт: существует предположение, что финальным этапом формирования Вселенной будет ее повторное сжатие в единую точку сингулярности, которая снова расширится благодаря Большому взрыву.

Доказательством того, что эволюция Вселенной еще далека от завершения, является реликтовое излучение. Если оно заметно на границах пространства, значит, еще не иссякла энергия, выделенная в момент Большого взрыва. Соответственно, космос продолжает расширяться.