Вік світобудови

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 61

Люди з давніх часів цікавилися віком Всесвіту. І хоча у неї не можна запитати паспорт, щоб подивитися дату народження, сучасна наука змогла відповісти на це питання. Правда, лише зовсім недавно.

Мудреці Вавилона і Греції вважали світобудову вічним і незмінним, а індуїстські хроністи в 150 році до н. е. визначили, що йому в точності 1 972 949 091 рік (до речі, за порядком величини вони не сильно помилилися!). У 1642 році англійський теолог Джон Лайтфут шляхом скрупульозного аналізу біблійних текстів вирахував, що створення світу припало на 3929 рік до н. е.; через кілька років ірландський єпископ Джеймс Ашер пересунув його на 4004 рік. Засновники сучасної науки Йоганн Кеплер і Ісаак Ньютон теж не пройшли повз цю тему. Хоча вони апелювали не тільки до Біблії, але й до астрономії, їх результати були схожими на обчислення богословів — 3993 і 3988 роки до н. е. У наш освічений час вік Всесвіту визначають іншими способами. Щоб побачити їх в історичній проекції, спочатку поглянемо на власну планету та її космічне оточення.

Ворожіння камінням

З другої половини XVIII століття вчені почали оцінювати вік Землі і Сонця на основі фізичних моделей. Так, у 1787 році французький натураліст Жорж-Луї Леклерк дійшов висновку, що, якби наша планета при народженні була кулею з розплавленого заліза, їй потрібно було б від 75 до 168 тисяч років, щоб охолонути до нинішньої температури. Через 108 років ірландський математик і інженер Джон Перрі заново прорахував теплову історію Землі і визначив її вік у 2-3 млрд років. На самому початку XX століття лорд Кельвін дійшов висновку, що якщо Сонце поступово стискається і світить виключно за рахунок вивільнення гравітаційної енергії, то його вік (і, отже, максимальний вік Землі та інших планет) може скласти кілька сотень мільйонів років. Але в той час геологи не змогли ні підтвердити, ні спростувати ці оцінки через відсутність надійних методів геохронології.

У середині першого десятиліття ХХ століття Ернест Резерфорд і американський хімік Бертрам Болтвуд розробили основи радіометричного датування земних порід, яка показала, що Перрі був багато ближче до істини. У 1920-х були знайдені зразки мінералів, чий радіометричний вік наближався до 2 млрд років. Пізніше геологи не раз підвищували цю величину, і до теперішнього часу вона зросла більш ніж удвічі — до 4,4 млрд. Додаткові дані надає дослідження «небесних каменів» — метеоритів. Майже всі радіометричні оцінки їхнього віку укладаються в інтервал 4,4-4,6 млрд років.

Сучасна геліосейсмологія дозволяє безпосередньо визначити і вік Сонця, який, за останніми даними, становить 4,56-4,58 млрд років. Оскільки тривалість гравітаційної конденсації протосолнечної хмари обчислювалася всього лише мільйонами років, можна впевнено стверджувати, що від початку цього процесу до наших днів пройшло не більше 4,6 млрд років. При цьому сонячна речовина містить безліч елементів важче гелію, які утворилися в термоядерних топках масивних зірок колишніх поколінь, що вигоріли і вибухнули надновими. Це означає, що протяжність існування Всесвіту сильно перевищує вік Сонячної системи. Щоб визначити міру цього перевищення, потрібно вийти спочатку в нашу Галактику, а потім і за її межі.

Слідуючи за білими карликами

Час життя нашої Галактики можна визначати різними способами, але ми обмежимося двома найнадійнішими. Перший метод заснований на моніторингу світіння білих карликів. Ці компактні (приблизно з Землю величиною) і спочатку дуже гарячі небесні тіла являють собою кінцеву стадію життя практично всіх зірок за винятком наймасивніших. Для перетворення в білий карлик зірка повинна повністю спалити все своє термоядерне паливо і зазнати кілька катаклізмів — наприклад, на якийсь час стати червоним гігантом.

Типовий білий карлик майже повністю складається з іонів вуглецю і кисню, занурених у вироджений електронний газ, і має тонку атмосферу, в складі якої домінують водень або гелій. Його поверхнева температура становить від 8 000 до 40 000 К, тоді як центральна зона нагріта до мільйонів і навіть десятків мільйонів градусів. Згідно з теоретичними моделями, можуть також народжуватися карлики, що складаються переважно з кисню, неона і магнію (в які за певних умов перетворюються зірки з масою від 8 до 10,5 або навіть до 12 сонячних мас), проте їх існування ще не доведено. Теорія також стверджує, що зірки, які щонайменше вдвічі поступаються Сонцю за масою, закінчують життя у вигляді гелієвих білих карликів. Такі зірки дуже численні, однак вони спалюють водень вкрай повільно і посему живуть багато десятків і сотень мільйонів років. Поки що їм просто не вистачило часу, щоб вичерпати водневе пальне (дуже нечисленні гелієві карлики, виявлені до теперішнього часу, мешкають у подвійних системах і виникли зовсім іншим шляхом).

Коли білий карлик не може підтримувати реакції термоядерного синтезу, він світить за рахунок накопиченої енергії і тому повільно остигає. Темпи цього охолодження можна обчислити і на цій основі визначити час, потрібний для зниження температури поверхні від початкової (для типового карлика це приблизно 150 000 К) до спостережуваної. Оскільки нас цікавить вік Галактики, слід шукати найбільш довгоживучі, а тому і найхолодніші білі карлики. Сучасні телескопи дозволяють виявити внутрішньомалактичні карлики з температурою поверхні менше 4000 К, світність яких у 30 000 разів поступається сонячною. Поки вони не знайдені — або їх немає взагалі, або дуже мало. Звідси випливає, що наша Галактика не може бути старше 15 млрд років, інакше вони б були присутні в помітних кількостях.

Це верхня межа віку. А що сказати про нижню? Найхолодніші з нині відомих білих карликів були зареєстровані космічним телескопом «Хаббл» в 2002 і 2007 роках. Обчислення показали, що їх вік становить 11,5-12 млрд років. До цього ще потрібно додати вік зірок-попередниць (від півмільярда до мільярда років). Звідси випливає, що Чумацький Шлях ніяк не молодший 13 млрд років. Тож остаточна оцінка його віку, отримана на основі спостереження білих карликів, — приблизно 13-15 млрд років.

Природний годинник

Згідно з радіометричним датуванням, найстарішими породами на Землі зараз вважаються сірі гнейси узбережжя Великого Невільничого озера на північному заході Канади — їхній вік визначено в 4,03 млрд. років. Ще раніше (4,4 млрд. років тому) кристалізувалися найдрібніші зерна мінералу циркона, природного силікату цирконію, знайдені в гнейсах на заході Австралії. А раз у ті часи вже існувала земна кора, наша планета повинна бути дещо старшою. Що стосується метеоритів, найбільш точну інформацію дає датування кальцієво-алюмінієвих вкраплень в речовині кам’яновугільних хондритових метеоритів, яке практично не змінилося після його формування з газопилової хмари, що оточувала новонароджене Сонце. Радіометричний вік подібних структур у метеориті Єфремівка, знайденому 1962 року в Павлодарській області Казахстану, становить 4 млрд. 567 млн років.

Шарові свідчення

Другий метод заснований на дослідженні шароподібних зоряних скупчень, що знаходяться в периферійній зоні Чумацького Шляху і звертаються навколо його ядра. Вони містять від сотень тисяч до більш ніж мільйона зірок, пов’язаних взаємним тяжінням.

Шарові скупчення є практично у всіх великих галактиках, причому їх кількість часом досягає багатьох тисяч. Нові зірки там практично не народжуються, зате літні світила присутні в надлишку. У нашій Галактиці зареєстровано близько 160 таких шарових скупчень, і, можливо, будуть відкриті ще два-три десятки. Механізми їх формування не цілком зрозумілі, проте, найімовірніше, багато з них виникли незабаром після народження самої Галактики. Тому датування формування найдавніших шарових скупчень дозволяє встановити і нижню межу галактичного віку.

Таке датування досить складне технічно, але в основі його лежить дуже проста ідея. Усі зірки скупчення (від надмасивних до найлегших) утворюються з однієї тієї ж газової хмари і тому народжуються практично одночасно. З плином часу вони випалюють основні запаси водню — одні раніше, інші пізніше. На цій стадії зірка залишає головну послідовність і зазнає серії перетворень, які завершуються або повним гравітаційним колапсом (за яким слідує формування нейтронної зірки або чорної діри), або виникненням білого карлика. Тому вивчення складу шарового скупчення дозволяє досить точно визначити його вік. Для надійної статистики число вивчених скупчень має скласти не менше декількох десятків.

Таку роботу три роки тому виконала команда астрономів, які користувалися камерою ACS (Advanvced Camera for Survey) космічного телескопа «Хаббл». Моніторинг 41 шарового скупчення нашої Галактики показав, що їх середній вік становить 12,8 млрд років. Рекордсменами виявилися скупчення NGC 6937 і NGC 6752, віддалені від Сонця на 7200 і 13 000 світлових років. Вони майже напевно не молодші 13 млрд років, причому найбільш вірогідний час життя другого скупчення — 13,4 млрд років (правда, з похибкою плюс-мінус мільярд).

Однак наша Галактика повинна бути старшою за свої скупчення. Її перші надмасивні зірки вибухали надновими і викидали в космос ядра багатьох елементів, зокрема, ядра стабільного ізотопу берилію — берилія-9. Коли почали формуватися шарові скупчення, їхні новонароджені зірки вже містили берилій, причому тим більше, чим пізніше вони виникли. За вмістом берилію в їхніх атмосферах можна з’ясувати, наскільки скупчення молодше Галактики. Як свідчать дані зі скупчення NGC 6937, ця різниця становить 200-300 млн років. Тож без великої натяжки можна сказати, що вік Чумацького Шляху перевищує 13 млрд років і, можливо, сягає 13,3-13,4 млрд. Це практично така ж оцінка, як і зроблена на підставі спостереження білих карликів, але отримана вона зовсім іншим способом.

Закон Хаббла

Наукова постановка питання про вік Всесвіту стала можливою лише на початку другої чверті минулого століття. Наприкінці 1920-х років Едвін Хаббл і його асистент Мілтон Х’юмасон зайнялися уточненням відстаней до десятків туманностей за межами Чумацького Шляху, які лише кількома роками раніше стали вважати самостійними галактиками.

Ці галактики віддаляються від Сонця з радіальними швидкостями, які були вимірені за величиною червоного зміщення їх спектрів. Хоча дистанції до більшості таких галактик вдалося визначити з великою похибкою, Хаббл все ж з’ясував, що вони приблизно пропорційні радіальним швидкостям, про що і написав у статті, опублікованій на початку 1929 року. Два роки потому Хаббл і Хьюмасон підтвердили цей висновок на підставі результатів спостережень інших галактик — деякі з них віддалені більш ніж на 100 млн світлових років.

Апроксимація минулого

  Залежно від співвідношення між різними факторами графік розміру Всесвіту має різну форму і в майбутньому, і в минулому, що впливає на оцінку його віку. Поточні спостереження показують, що всесвіт розширюється експоненційно (червоний графік). Зображення: «Популярна механіка»

Ці дані лягли в основу прославленої формули v = H₀d, відомої як закон Хаббла. Тут v — радіальна швидкість галактики по відношенню до Землі, d — відстань, H₀ — коефіцієнт пропорційності, чия розмірність, як легко бачити, зворотна розмірності часу (раніше його називали постійною Хаббла, що невірно, оскільки в попередні епохи величина H₀ була іншою, ніж у наш час). Сам Хаббл і ще багато астрономів довгий час відмовлялися від припущень про фізичний сенс цього параметра. Однак Жорж Леметр ще в 1927 році показав, що загальна теорія відносності дозволяє інтерпретувати розліт галактик як свідчення розширення Всесвіту. Чотирма роками пізніше він мав сміливість довести цей висновок до логічного кінця, висунувши гіпотезу, що Всесвіт виник з практично точкового зародку, який він, за браком кращого терміну, назвав атомом. Цей первородний атом міг перебувати в статичному стані будь-який час аж до нескінченності, проте його «вибух» породив поширений простір, заповнений матерією і випромінюванням, яке за кінцевий час дало початок нинішнього Всесвіту. Вже у своїй першій статті Леметр вивів повний аналог хабблівської формули і, володіючи відомими до того часу даними про швидкості і дистанції ряду галактик, отримав приблизно таке ж значення коефіцієнта пропорційності між дистанціями і швидкостями, що і Хаббл. Однак його стаття була надрукована французькою мовою в маловідомому бельгійському журналі і спочатку залишилася непоміченою. Більшості астрономів вона стала відома лише 1931 року після публікації її англійського перекладу.

Хабблівський час

З цієї роботи Леметра і пізніших праць як самого Хаббла, так і інших космологів прямо випливало, що вік Всесвіту (природно, відрахований від початкового моменту його розширення) залежить від величини 1/H₀, яку тепер називають хаббловським часом. Характер цієї залежності визначається конкретною моделлю світобудови. Якщо вважати, що ми живемо в плоскому Всесвіті, заповненому гравітуючою речовиною і випромінюванням, то для обчислення її віку 1/H₀ треба помножити на 2/3.

Тут і виникла заковика. З вимірювань Хаббла і Х’юмасона випливало, що чисельна величина 1/H₀ приблизно дорівнює 1,8 млрд років. Звідси випливало, що Всесвіт народився 1,2 млрд років тому, що явно суперечило навіть сильно заниженим у той час оцінкам віку Землі. З цієї скрути можна було виплутатися, припустивши, що галактики розлітаються повільніше, ніж вважав Хаббл. З часом це допущення підтвердилося, але проблеми так і не вирішило. Згідно з даними, отриманими до кінця минулого століття за допомогою оптичної астрономії, 1/H₀ становить від 13 до 15 млрд років. Так що розбіжність все ж залишалася, оскільки простір Всесвіту як вважалося, так і вважається плоским, а дві третини хабблівського часу сильно менше навіть найскромніших оцінок віку Галактики.

Порожній світ

Згідно з останніми вимірами, нижня межа хаббловського часу становить 13,5 млрд. років, а верхня — 14 млрд. Виходить, що нинішній вік Всесвіту приблизно дорівнює нинішньому хабблівському часу. Така рівність повинна суворо дотримуватися для абсолютно порожнього Всесвіту, де немає ні гравітуючої матерії, ні антигравітуючих полів. Але ж у нашому світі вистачає і того, і іншого. Справа в тому, що простір спочатку розширювався з уповільненням, потім швидкість його розширення стала зростати, і в нинішню епоху ці протилежні тенденції майже скомпенсували один одного.

Загалом це протиріччя було усунуто в 1998-1999 роках, коли дві команди астрономів довели, що останні 5-6 млрд років космічний простір розширюється не з падаючою, а зростаючою швидкістю. Це прискорення зазвичай пояснюють тим, що в нашому Всесвіті зростає вплив антигравітаційного фактору, так званої темної енергії, щільність якої не змінюється з часом. Оскільки щільність гравітуючої матерії падає в міру розширення Космосу, темна енергія все успішніше конкурує з тяжінням. Тривалість існування Всесвіту з антигравітаційною компонентою зовсім не зобов’язана бути рівною двом третинам хабблівського часу. Тому відкриття розширення Всесвіту (відзначене в 2011 році Нобелівською премією) дозволило усунути розстикування між космологічними та астрономічними оцінками часу його життя. Воно також стало прелюдією до розробки нового методу датування її народження.

Космічні ритми

30 червня 2001 року NASA відправило в космос зонд Explorer 80, через два роки перейменований у WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Його апаратура дозволила реєструвати температурні флуктуації мікрохвильового реліктового випромінювання з кутовою роздільною здатністю менше трьох десятих градуса. Тоді вже було відомо, що спектр цього випромінювання майже повністю збігається зі спектром ідеального чорного тіла, нагрітого до 2,725 К, а коливання його температури при «крупнозернистих» вимірах з кутовою роздільною здатністю в 10 градусів не перевищують 0,000036 К. Однак на «дрібнозернистій» шкалі зонда WMAP амплітуди таких флуктуацій були в шість разів більшими (близько 0,0002 К). Реліктове випромінювання виявилося плямистим, тісно спрощеним трохи більш і трохи менш нагрітими ділянками.

Флуктуації реліктового випромінювання породжені коливаннями щільності електронно-фотонного газу, який колись заповнював космічний простір. Вона впала майже до нуля приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, коли практично всі вільні електрони з’єдналися з ядрами водню, гелію і літію і тим самим поклали початок нейтральним атомам. Поки цього не сталося, в електронно-фотонному газі поширювалися звукові хвилі, на які впливали гравітаційні поля частинок темної матерії. Ці хвилі, або, як кажуть астрофізики, акустичні осциляції, наклали відбиток на спектр реліктового випромінювання. Цей спектр можна розшифрувати за допомогою теоретичного апарату космології і магнітної гідродинаміки, що дає можливість по-новому оцінити вік Всесвіту. Як показують новітні обчислення, його найбільш вірогідна протяжність становить 13,72 млрд років. Вона і вважається зараз стандартною оцінкою часу життя Всесвіту. Якщо взяти до уваги всі можливі неточності, допуски і наближення, можна зробити висновок, що, згідно з результатами зонда WMAP, Всесвіт існує від 13,5 до 14 млрд років.

Таким чином, астрономи, оцінюючи вік Всесвіту трьома різними способами, отримали цілком сумісні результати. Тому тепер ми знаємо (або, висловлюючись обережніше, думаємо, що знаємо), коли виникла наша світобудова — у всякому разі, з точністю до декількох сотень мільйонів років. Ймовірно, нащадки внесуть рішення цієї вікової загадки до переліку найбільш чудових досягнень астрономії та астрофізики.