Скільки існує Всесвіт: як це з'ясували та чи справді у нього такий вік

Якщо рахувати від початку гарячого Великого вибуху, то ми дізнаємося, що Всесвіту 13,8 млрд років. Але що дає нам право називати початок гарячого Великого вибуху саме початком Всесвіту? Реальність така, що доводиться робити вибір, і початок гарячого Великого вибуху — одна з найбільш ранніх речей, у яких можна бути впевненими. Ось що насправді означає "вік Всесвіту", пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Згідно з теорією гарячого Великого вибуху, Всесвіт мав початок. Хоча деякі вчені з цим не згодні та зазначають, що в сучасному контексті космічної інфляції гарячий Великий вибух стався лише як наслідок попередньої епохи. Але якщо запитати будь-якого астрофізика про те, скільки років Всесвіту, то обов'язково буде одна й та сама відповідь: 13,8 млрд років.

Існує два різні способи вимірювання віку Всесвіту з моменту початку гарячого Великого вибуху:

• можна знайти найстаріший об'єкт або явище, яке відомо як виміряти, і зробити висновок, що Всесвіт має бути щонайменше таким же старим;
• можна використовувати те, що відомо про загальну теорію відносності, а також знання про те, з чого складається Всесвіт, а також про те, як швидко він розширюється, щоб обчислити, скільки часу минуло від початку гарячого Великого вибуху.

Коли б і де б не народжувалися зірки, а це відбувається щоразу, коли хмари газу достатньо стискаються під дією власної гравітації, вони бувають найрізноманітніших розмірів, кольорів, температур і мас. Найбільші, найблакитніші та наймасивніші зірки містять найбільшу кількість палива для термоядерного синтезу, але, як не парадоксально, ці зірки насправді є найбільш недовговічними. Отже, наймасивніші зірки сяють яскраво, оскільки швидко спалюють своє паливо. Дивлячись на більш холодні та тьмяні зірки, що залишилися, ми можемо з упевненістю заявити, що Всесвіту має бути не менше 12,5–13 млрд років.

Так само ми можемо взяти відомі закони фізики, як-от загальна теорія відносності, і застосувати їх до Всесвіту, що розширюється. У результаті виходить набір рівнянь, які пов'язують те, як Всесвіт розширювався протягом своєї історії, з тим, наскільки швидко він розширюється сьогодні, а також різні форми енергії, присутні всередині нього. Коли ми беремо найкращий набір доступних даних, зокрема з реліктового випромінювання, яке складається зі світла, що залишилося від Великого вибуху, і з усіх великомасштабних даних, ми отримуємо відповідь, яка відкриває нам нашу космічну історію. Зараз відомо, що Всесвіт розширюється зі швидкістю 67 км/с на мегапарсек і це вказує на те, що Всесвіту 13,8 млрд років.

Але можна висунути три заперечення, які мають свої обґрунтування.

Заперечення 1: як щодо проблеми Габбла або того факту, що різні методи вимірювання дають значення швидкості розширення, що дорівнює 74 км/с на мегапарсек?

• Можна подумати, що в такому разі Всесвіт є більш молодим, оскільки більш швидке розширення означає, що потрібно менше часу, щоб простежити історію космосу до стану, в якому вся матерія та енергія стиснулися до однієї точки.
• Це означає, що якщо швидкість розширення на 9% більша, то потрібно збільшити кількість темної енергії на кілька відсотків коштом темної матерії, яка зменшується приблизно на таку саму величину. Тому вік Всесвіту може трохи зсунутися, можливо, до 13,6 млрд років, але це не так і багато.

Для розуміння контексту, зараз учені вважають, що Всесвіт складається з:

• 68% темної енергії;
• 27% темної матерії;
• 4,9% звичайної матерії;
• 0,1% нейтрино;
• 0,01% фотонів.

Заперечення 2: Чи повинні ми почати відлік віку з позначки 380 000 років, коли з'явилося реліктове випромінювання?

• Наразі астрофізикам відомі два набори сигналів, які з'явилися раніше: велика кількість легких елементів, створених унаслідок нуклеосинтезу Великого вибуху, що стався, коли після Великого вибуху пройшло лише 3–4 хвилини, та сигнали реліктового нейтринного фону, що показують реліктове випромінювання та великомасштабну структуру Всесвіту, які було створено, коли після Великого вибуху минула лише 1 секунда.

Заперечення 3: Всесвіт насправді почався не з гарячого Великого вибуху, а цьому передувала космічна інфляція. То чому б не почати відлік з початку інфляції?

• Повернення на 13,8 млрд років назад, до гарячого Великого вибуху, не зовсім повертає нас до істинного початку. Натомість це повертає нас до припущення, що можна екстраполювати наш Всесвіт, що розширюється й остигає, назад, використовуючи компоненти Всесвіту, який у нас є сьогодні.
• Ідея про те, що початок гарячого Великого вибуху відповідає сингулярності, колись вважалася само собою зрозумілою. Але в 1970-х роках учені почали помічати деякі дивні властивості, які, здавалося, не відповідали ідеї екстраполяції гарячого Великого вибуху на різні гарячі, щільні, енергійні та маленькі стани. Одна з можливих версій полягала в тому, що Всесвіту перед гарячим Великим вибухом передував період експоненціального розширення, який створив і породив умови, які ми спостерігаємо.
• Що відрізняє інфляцію від інших гіпотез, так це її здатність робити прогнози, які відрізнялися б від передбачень гарячого Великого вибуху, якби інфляції не було. Усі ці передбачення згодом підтвердилися, а це означає, що до початку гарячого Великого вибуху був період експоненціального розширення.
• Інфляція мала призвести до того, що Всесвіт подвоївся в розмірах принаймні кілька сотень разів за наносекунди. Невідомо, який фізичний механізм поклав початок цьому, і чи можна застосувати нинішнє розуміння законів фізики до тих ранніх часів.

Але одне можна сказати напевно: коли ми говоримо про "вік Всесвіту", ми говоримо про вік, "який можна спостерігати", що включає в себе Всесвіт, починаючи з моменту початку гарячого Великого вибуху і крихітну частку секунди, протягом якої останні моменти інфляції залишили відбиток у нашому Всесвіті. Тому Всесвіту, який ми спостерігаємо, 13,8 млрд років, але те, що було до нього, все ще залишається лише припущенням.

Як уже писав Фокус, нові спостереження за космосом показують, що насправді Всесвіт може не розширюватися вічно і все закінчиться поверненням до початкового стану.