Сколько существует Вселенная: как это выяснили и действительно ли у нее такой возраст

Если считать от начала горячего Большого взрыва, то мы узнаем, что Вселенной 13,8 млрд лет. Но что дает нам право называть начало горячего Большого взрыва именно началом Вселенной? Реальность такова, что приходится делать выбор, и начало горячего Большого взрыва — одна из самых ранних вещей, в которых можно быть уверенными. Вот что на самом деле означает "возраст Вселенной", пишет Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Согласно теории горячего Большого взрыва, Вселенная имела начало. Хотя некоторые ученые с этим не согласны и отмечают, что в современном контексте космической инфляции горячий Большой взрыв произошел только как последствие предыдущей эпохи. Но если спросить любого астрофизика о том, сколько лет Вселенной, то обязательно будет один и тот же ответ: 13,8 млрд лет.

Существует два разных способа измерения возраста Вселенной с момента начала горячего Большого взрыва:

• можно найти самый старый объект или явление, которое известно как измерить, и сделать вывод, что Вселенная должна быть как минимум такой же старой;
• можно использовать то, что известно об общей теории относительности, а также знания о том, из чего состоит Вселенная, а также о том, как быстро она расширяется, чтобы вычислить, сколько времени прошло с начала горячего Большого взрыва.

Когда бы и где бы ни рождались звезды, а это происходит всякий раз, когда облака газа достаточно сжимаются под действием собственной гравитации, они бывают самых разных размеров, цветов, температур и масс. Самые большие, самые голубые и самые массивные звезды содержат наибольшее количество топлива для термоядерного синтеза, но, как ни парадоксально, эти звезды на самом деле являются самыми недолговечными. Таким образом, самые массивные звезды сияют ярко, поскольку быстро сжигают свое топливо. Глядя на оставшиеся более холодные и тусклые звезды мы можем с уверенностью заявить, что Вселенной должно быть не менее 12,5–13 млрд лет.

Точно так же мы можем взять известные законы физики, такие как общая теория относительности, и применить их к расширяющейся Вселенной. В результате получается набор уравнений, которые связывают то, как Вселенная расширялась на протяжении своей истории, с тем, насколько быстро она расширяется сегодня, а также различные формы энергии, присутствующие внутри нее. Когда мы берем лучший набор доступных данных, в том числе из реликтового излучения, которое состоит из света, оставшегося от Большого взрыва, и из всех крупномасштабных данных, мы получаем ответ, который открывает нам нашу космическую историю. Сейчас известно, что Вселенная расширяется со скоростью 67 км/с на мегапарсек и это указывает на то, что Вселенной 13,8 млрд лет.

Но можно выдвинуть три возражения, которые имеют свои обоснования.

Возражение 1: как насчет проблемы Хаббла или того факта, что разные методы измерения дают значение скорости расширения, равное 74 км/с на мегапарсек?

• Можно подумать, что в таком случае Вселенная является более молодой, поскольку более быстрое расширение означает, что требуется меньше времени, чтобы проследить историю космоса до состояния, в котором вся материя и энергия сжались до одной точки.
• Это значит, что если скорость расширения на 9% больше, то нужно увеличить количество темной энергии на несколько процентов за счет темной материи, которая уменьшается примерно на такую же величину. Поэтому возраст Вселенной может немного сдвинуться, возможно, до 13,6 млрд лет, но это не так и много.

Для понимания контекста, сейчас ученые считают, что Вселенная состоит из:

• 68% темной энергии;
• 27% темной материи;
• 4,9% обычной материя;
• 0,1% нейтрино;
• 0,01% фотонов.

Возражение 2: Должны ли мы начать отсчет возраста с отметки 380 000 лет, когда появилось реликтовое излучение?

• Сейчас астрофизикам известны два набора сигналов, которые появились раньше: обилие легких элементов, созданных в результате нуклеосинтеза Большого взрыва, который произошел, когда после Большого взрыва прошло всего 3–4 минуты, и сигналы реликтового нейтринного фона, которые показывают реликтовое излучение и крупномасштабную структуру Вселенной, которые были созданы, когда после Большого взрыва прошла всего 1 секунда.

Возражение 3: Вселенная на самом деле началась не с горячего Большого взрыва, а этому предшествовала космическая инфляция. Так почему бы не начать отсчет с начала инфляции?

• Возвращение на 13,8 млрд лет назад, к горячему Большому взрыву, не совсем возвращает нас к истинному началу. Вместо этого это возвращает нас к предположению, что можно экстраполировать нашу расширяющуюся и остывающую Вселенную обратно, используя компоненты Вселенной, которая у нас есть сегодня.
• Идея о том, что начало горячего Большого взрыва соответствует сингулярности, когда-то считалась само собой разумеющейся. Но в 1970-х годах ученые начали замечать некоторые странные свойства, которые, казалось, не соответствовали идее экстраполяции горячего Большого взрыва на разные горячие, плотные, энергичные и маленькие состояния. Одна из возможных версий заключалась в том, что Вселенной перед горячим Большим взрывом предшествовал период экспоненциального расширения, который создал и породил условия, которые мы наблюдаем.
• Что отличает инфляцию от других гипотез, так это ее способность делать прогнозы, которые отличались бы от предсказаний горячего Большого взрыва, если бы инфляции не было. Все эти предсказания впоследствии подтвердились, а это означает, что до начала горячего Большого взрыва был период экспоненциального расширения.
• Инфляция должна была привести к тому, что Вселенная удвоилась в размерах по крайней мере несколько сотен раз за наносекунды. Неизвестно, какой физический механизм положил начало этому, и применимо ли нынешнее понимаемые законов физики к тем ранним временам.

Но одно можно сказать наверняка: когда мы говорим о "возрасте Вселенной", мы говорим о возрасте, который можно наблюдать", который включает в себя Вселенную, начиная с момента начала горячего Большого взрыва и крошечную долю секунды, в течение которой последние моменты инфляции оставили отпечаток в нашей Вселенной. Поэтому Вселенной, которую мы наблюдаем, 13,8 млрд лет, но то, что было до нее, все еще остается лишь предположением.

Как уже писал Фокус, новые наблюдения за космосом показывают, что на самом деле Вселенная может не расширятся вечно и все закончится возвращением к изначальному состоянию.