Когда учёные говорят, что возраст Вселенной составляет 13,77 миллиарда лет, эта цифра звучит одновременно впечатляюще и убедительно. Не просто 14 миллиардов или даже 13,8 миллиарда, а именно 13,77. По-видимому, мы знаем дату рождения Вселенной настолько точно, что уже начинаем беспокоиться о десятичных знаках.

Но откуда мы знаем это на самом деле? Что вообще означает «возраст Вселенной»? И может ли наш ответ оказаться неверным?

Есть несколько моментов, в которых расчёты вполне могут оказаться неверными: возможно, теория относительности окончательно запретит универсальные часы; возможно, расширение Вселенной было неверно интерпретировано; возможно, наша стандартная космологическая модель чрезмерно упрощает реальность; или, возможно, мы неверно понимаем составные элементы Вселенной.

Итак, давайте посмотрим, насколько достоверна эта цифра — 13,77 миллиарда лет.

Могут ли у Вселенной быть «часы»?

Первая проблема связана со специальной теорией относительности (СТО). До Эйнштейна ньютоновская физика фактически наделяла Вселенную такими свойствами, как «базовые часы» и «линейка». Пространство и время служили абсолютным фоном, по отношению к которому можно было измерить всё. Конечно, буквально гигантских космических часов, спрятанных где-то за туманностями, не существовало. Это была математическая описательная система: события происходили в определённых местах и в определённые моменты общего вселенского времени. А потом Эйнштейн разрушил эту удобную схему.

Согласно СТО, не существует ни универсальных часов, ни абсолютной системы отсчёта. Разные наблюдатели могут измерять разные расстояния и разные промежутки времени в зависимости от того, как они движутся. У каждого наблюдателя появляется своя, вполне легитимная система отсчёта. Это звучит как плохая новость для таких утверждений, как «возраст Вселенной составляет 13,77 миллиарда лет». Чьи конкретно эти 13,77 миллиарда лет?

К счастью, СТО гласит, что у Вселенной не обязательно должна быть какая-то предпочтительная система отсчёта. Она не утверждает, что обстоятельства не могут предоставить нам полезную систему отсчёта. Для этого нам нужна уже общая теория относительности (ОТО).

Астрономы видят, что удалённые галактики без исключения смещены в красную область спектра, причём более удалённые галактики, как правило, демонстрируют большее красное смещение. Простейшая модель, способная объяснить это поведение вместе с гравитацией и геометрией пространства-времени, описывается метрикой FLRW, названной в честь Александра Фридмана, Жоржа Леметр, Говарда Робертсона и Артура Уокера. Её ключевым компонентом является то, чего нет в пустом пространстве-времени СТО: материя.

Вселенная содержит материю и излучение, и на достаточно больших масштабах всё сущее следует общей закономерности. Вселенная расширяется, и по мере расширения материя становится более разрежённой, а излучение охлаждается. И это придаёт космосу общую историю.

Вчера Вселенная была немного плотнее и горячее, чем сегодня. Миллиарды лет назад она была гораздо плотнее и горячее. Завтра она станет немного больше, реже и холоднее. Таким образом, расширение позволяет отличить прошлое от будущего и служит естественными космическими часами. Астроном из другой галактики, разработавший ту же космологическую теорию, пришёл бы к практически такой же истории расширения. Мы оба могли бы проследить путь назад к горячей и плотной ранней Вселенной и рассчитать, сколько собственного времени прошло с момента горячего Большого взрыва.

Таким образом, несмотря на теорию относительности, говорить о возрасте Вселенной имеет смысл. Но это поднимает ещё одну проблему.

А что, если Вселенная на самом деле не расширяется?

Строго говоря, Эдвин Хаббл и другие астрономы-первопроходцы не наблюдали, как галактики физически удаляются от нас. Они наблюдали, что их свет подвергается красному смещению. Расширение Вселенной — это вариант объяснения этого наблюдения, а не само наблюдение.

Некоторое время астрономы рассматривали альтернативные версии. Одна из самых известных принадлежала Фрицу Цвики — чрезвычайно плодовитому и известному своим воинственным характером астроному, который ввёл термин «сверхновая» и представил одно из самых ранних доказательств существования тёмной материи.

Цвики скептически относился к интерпретации, предполагающей расширение Вселенной, и предложил теорию, ставшую известной как «уставший свет». По его мнению, возможно, что свет каким-то образом теряет энергию при прохождении огромных расстояний. Фотоны с более низкой энергией прибывали бы к нам с красным смещением, благодаря чему отдалённые галактики казались бы более красными, и для этого не требовалось бы, чтобы сама Вселенная расширялась.

В предложении альтернативного объяснения нет ничего по сути своей ненаучного. Проблема возникает, когда вы просите «уставший свет» объяснить всё остальное, что мы наблюдаем.

Во-первых, фотоны должны были бы терять энергию на космологических расстояниях без обычного рассеяния. Если бы они рассеивались из-за какого-то вещества, встреченного ими по пути, изображения далёких галактик должны были бы становиться всё более размытыми. Но этого не происходит.

Кроме того, этот механизм должен был бы одинаково влиять на все длины волн — от радиоволн до рентгеновских лучей — и при этом воспроизводить наблюдаемую зависимость между расстоянием и красным смещением. Он должен был бы объяснить и другие эффекты, связанные с расширением, в том числе наблюдаемое замедление времени в далёких сверхновых. События в галактиках с высоким красным смещением кажутся растянутыми во времени именно на тот коэффициент, который предсказывает расширяющаяся Вселенная. Простые модели «уставшего света» естественным образом этого не обеспечивают.

И какой бы ни был механизм, поглощающий энергию фотонов, он должен был бы соответствовать как теории относительности, так и квантовой механике, ни одна из которых не предлагает «удобного» процесса, который незаметно «похищал» бы энергию у свободно движущихся фотонов лишь потому, что они движутся в течение длительного времени.

На протяжении десятилетий предлагавшиеся модели «уставшего света» неоднократно не выдерживали одной или нескольких наблюдательных проверок. Всегда можно придумать новую версию теории, но пока никому не удалось предложить такую, которая объясняла бы весь комплекс космологических наблюдений так же успешно, как это делает теория расширения.

Теория расширяющейся Вселенной остаётся непреложной не потому, что учёные просто решили, что она им больше нравится, а потому, что конкурирующие объяснения были вынуждены проходить через всё более сложную полосу препятствий в виде наблюдений и постоянно натыкались на преграды.

Таким образом, расширение даёт нам наши космические часы. Если, конечно, мы не используем неправильные часы.

Не слишком ли неоднородна Вселенная для нашей модели?

Метрика FLRW основана на важном упрощающем допущении: на достаточно больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, один огромный участок Вселенной очень похож на другой огромный участок.

На меньших масштабах это явно неверно. Посмотрите вокруг — Вселенная поразительно неравномерна. Материя собирается в звёзды, галактики, группы, скопления и обширные нити, разделённые огромными космическими пустотами (войдами). Метрика FLRW, по сути, сглаживает эти структуры, превращая их в космическую «жидкость».

Мы поступаем так отчасти потому, что наблюдения показывают: Вселенная действительно становится удивительно однородной на больших масштабах, а отчасти потому, что уравнения Эйнштейна и без того достаточно сложны, даже без попыток рассчитать гравитационное поведение каждой галактики в отдельности. Но может ли вся эта неоднородность повлиять на наши часы?

Этот вопрос лежит в основе космологии «таймскейпа» [timescape], или космологии «временного ландшафта», разработанной физиком Дэвидом Уилтширом. Теория «таймскейпа» исходит из того, что в рамках общей теории относительности часы могут идти с разной скоростью в зависимости от гравитации.

Большая часть объёма Вселенной приходится на войды, в то время как такие наблюдатели, как мы, естественно, находятся внутри плотных структур. Уилтшир утверждает, что усреднение всех этих областей стандартным способом скрывает потенциально важные различия в течении времени.

Стандартная космология фактически исходит из представления о «гладкой» Вселенной, а затем рассматривает галактики, скопления и войды как возмущения, накладывающиеся на эту основу. В очень больших масштабах наблюдения чрезвычайно хорошо подтверждают эту картину. При таком подходе различия в скорости хода часов, вызванные крупномасштабной структурой, являются ничтожно малыми и не оказывают существенного влияния на возраст Вселенной.

«Таймскейп» меняет эту методику. Вместо того чтобы сначала усреднять, а потом добавлять возмущения, она пытается сначала описать по-разному развивающиеся области, а затем усреднить их. Это, казалось бы, чисто техническое изменение может иметь серьёзные последствия. В рамках модели Уилтшира различия между часами в войдах и часами, связанными с галактиками, становятся достаточно большими, чтобы повлиять на нашу интерпретацию космического расширения. Они могут даже имитировать эффекты, которые обычно приписывают тёмной энергии.

Расчётный возраст Вселенной также зависит от того, какой тип области служит источником для ваших «часов». Возраст, вычисляемый по галактикам, может составлять около 14 миллиардов лет, в то время как «часы», связанные с войдами, могут давать значительно более высокие значения.

Если теория верна, то наши аккуратные «вселенские часы» всё-таки нельзя назвать универсальными. Однако существует одно серьёзное препятствие. Космология FLRW используется не только для расчёта возраста Вселенной. Она также лежит в основе моделирования развития космической структуры. Начиная с крошечных колебаний плотности, наблюдаемых в ранней Вселенной, исследователи моделируют эволюцию материи на протяжении миллиардов лет и сравнивают полученное распределение галактик, скоплений, нитей и войдов с тем, что на самом деле видят телескопы. И эта модель работает удивительно хорошо.

Если бы стандартная процедура усреднения содержала бы значительные неточности, можно было ожидать, что эта ошибка проявится где-то ещё. Моделируемая космическая структура должна была бы отклоняться от реальной. Вместо этого общее согласие между теорией, моделированием и наблюдениями просто превосходное.

Это не доказывает математически невозможность существования «временного ландшафта». Космология редко даёт нам такую роскошь. Но это означает, что в настоящее время нет веских причин отказываться от стандартного подхода FLRW. Так что наши «космические часы» выдержали очередную «атаку».

Но из чего же на самом деле состоит Вселенная?

Остаётся ещё одна, более глубокая проблема. Метрика FLRW обеспечивает математическую основу для модели расширяющейся Вселенной, но сама по себе она не определяет, как именно эта Вселенная расширяется. Это зависит от того, что содержит Вселенная.

Можно сказать, что модель FLRW предлагает возможные пути развития, а составляющие космоса определяют, по какому из этих путей на самом деле движется наша Вселенная.

Материя замедляет расширение за счёт гравитации. Излучение ведёт себя иначе, поскольку его плотность энергии падает особенно быстро по мере расширения пространства. Пространственная кривизна изменяет геометрию. Тёмная энергия ускоряет расширение. Измените пропорции этих составляющих — и вы измените историю расширения. Измените историю расширения — и вы измените время, необходимое Вселенной для достижения её нынешнего состояния.

Наша стандартная модель называется Lambda-CDM. Здесь лямбда обозначает космологическую постоянную — простейшую форму тёмной энергии, а CDM — холодную тёмную материю [cold dark matter]. В рамках этой модели, при согласовании с космологическими наблюдениями, возраст Вселенной составляет примерно 13,77 миллиарда лет. Это звучит обнадёживающе, пока не вспомнишь об одной неудобной детали: на самом деле мы не знаем, что такое тёмная материя или тёмная энергия.

Как мы можем с уверенностью рассчитать возраст Вселенной, используя компоненты, физическая природа которых остаётся загадкой? Ответ прост: для этого конкретного расчёта их сущность значит гораздо меньше, чем то, как они действуют на всё, с чем взаимодействуют.

Тёмная материя остаётся загадкой на уровне частиц, но с точки зрения гравитации она ведёт себя как обычная материя. Независимо от того, состоит ли данное количество массы из обычных атомов или из каких-то неизвестных частиц тёмной материи, её вклад в космическое расширение в крупномасштабном масштабе можно учитывать в плотности материи. Мы можем измерить общее количество гравитационно взаимодействующей материи с помощью многочисленных наблюдений, не определяя каждую частицу, ответственную за это.

С тёмной энергией ситуация аналогичная. Мы не знаем её сущности, но наблюдения говорят нам об эффектах её наличия: космическое расширение в поздний период ускоряется. Если достаточно тщательно измерить историю расширения, можно установить ограничения на количество и поведение любого компонента, вызывающего это ускорение.

Таким образом, модель Lambda-CDM не требует от нас выяснения микроскопической природы тёмной материи и тёмной энергии перед тем, как заниматься космологией. Нам нужны достаточно точные измерения их поведения в крупных масштабах. Тем не менее, модель Lambda-CDM на сегодня почти наверняка является неполной. Мы знаем, что она оставляет без ответа важные вопросы, и будущие наблюдения в конечном итоге могут потребовать добавления ещё одного компонента или иного описания тёмной энергии. Изменится ли расчётный возраст Вселенной? Почти наверняка. Изменится ли он значительно? Вероятно, нет.

Насколько неверной может быть оценка в 13,77 миллиарда лет?

Современные космологические модели не могут ограничиваться объяснением одного наблюдения и игнорировать всё остальное. Любая альтернатива модели Lambda-CDM должна пройти тот же набор проверок, который уже прошла стандартная модель. Она должна согласовываться с реликтовым излучением. Она должна воспроизводить наблюдаемое распределение галактик. Она должна объяснять расстояния до сверхновых, гравитационное линзирование, содержание первичных элементов и историю расширения. Она должна предлагать правдоподобную историю формирования структур. Это оставляет удивительно мало пространства для манёвра.

Существуют также независимые астрономические «часы», которые не зависят от согласования всей истории расширения. Возраст Вселенной должен быть больше, чем возраст её самых старых звёзд. Охлаждение древних белых карликов даёт ещё одну оценку. Радиоактивные элементы служат ядерными «часами». Шаровые скопления ограничивают возраст звёзд. Эти методы основаны на разных допущениях и имеют разные погрешности, но в целом они указывают на один и тот же диапазон: возраст Вселенной составляет примерно от 12 до 15 миллиардов лет.

Космологическая теория, предсказывающая шестимиллиардный возраст Вселенной, сразу же столкнулась бы с проблемой существования звёзд, более древних, чем сама Вселенная, в которой они находятся. Тридцатимиллиардная Вселенная породила бы иной набор наблюдательных проблем. Это означает, что альтернативные космологические модели оказываются под давлением сразу с нескольких сторон. Однако они всё равно могут изменить ответ в ту или иную сторону.

Последние результаты, полученные с помощью спектроскопического прибора для исследования тёмной энергии (DESI), дали интригующие указания на то, что тёмная энергия может изменяться со временем, а не вести себя, как космологическая постоянная Эйнштейна. Если эти указания подтвердятся в ходе дальнейших наблюдений и мы примем соответствующие модели, то предполагаемый возраст Вселенной может измениться с примерно 13,77 миллиарда лет до примерно 14,1 миллиарда лет.

Возможно, внезапное появление сотни миллионов лет звучит впечатляюще. Но в процентном отношении это изменение составляет всего около 2,5%.

И это, наверно, самое удивительное во всей этой истории. Утверждение о том, что Вселенной 13,77 миллиарда лет, не основано на одном измерении или одном шатком предположении. Оно вытекает из целой сети знаний: теории относительности, космического расширения, микроволнового фона, обзоров галактик, эволюции звёзд, ядерной физики и моделирования формирования структур. Любой отдельный элемент можно подвергнуть сомнению. И учёные так и делают. Существуют альтернативные модели, и некоторые из них в конечном итоге могут заставить пересмотреть существующие представления. Но не в любых масштабах.

Новая теория должна объяснить, почему Вселенная расширяется именно так, почему реликтовое излучение выглядит именно так, почему галактики распределены именно так, почему древние звёзды имеют именно такой возраст и почему стандартная модель оказалась настолько успешной при столь многих не связанных между собой наблюдениях.

Так что, возможно, возраст Вселенной равен не точно 13,77 миллиарда лет. Возможно, более точные измерения и усовершенствованные физические теории в конечном итоге приведут к тому, что этот показатель увеличится до 14,0 или 14,1 миллиарда лет, либо придёт какому-то другому значению в этом диапазоне.

Удивительно то, что, сделав предположения обо всей Вселенной, заполнив большую её часть веществами, фундаментальную природу которых мы не понимаем, применив уравнения, написанные более века назад, и сверив их со светом, шедшим к нам миллиарды лет, мы можем с достаточной уверенностью ожидать, что погрешность ответа составит всего несколько процентов. Для вида, который лишь недавно обнаружил существование других галактик, это удивительно точные космические часы.

Дополнительное чтение

[1]: https://arxiv.org/abs/1807.06209 "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"

[2]: https://arxiv.org/abs/2404.03002 "DESI 2024 VI: Cosmological Constraints from the Measurements of Baryon Acoustic Oscillations"

[3]: https://arxiv.org/abs/0804.3595 "Time Dilation in Type Ia Supernova Spectra at High Redshift"

[4]: https://www.researchgate.net/publication/1972526\_Cosmic\_clocks\_cosmic\_variance\_and\_cosmic\_averages "(PDF) Cosmic clocks, cosmic variance and cosmic averages"

[5]: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18233512/ "Exact solution to the averaging problem in cosmology."

[6]: https://arxiv.org/abs/0712.3984 "Dark energy without dark energy"

[7]: https://arxiv.org/abs/2405.04216 "DESI 2024: Reconstructing Dark Energy using Crossing Statistics with DESI DR1 BAO data"

[8]: https://arxiv.org/abs/2405.13588 "DESI 2024: Constraints on Physics-Focused Aspects of Dark Energy using DESI DR1 BAO Data"

[9]: https://www.cambridge.org/core/journals/proceedings-of-the-international-astronomical-union/article/white-dwarf-cosmochronology-techniques-and-uncertainties/40D2D45912DFA07F5AAD59316E8E0BA4 "White dwarf cosmochronology: Techniques and uncertainties | Proceedings of the International Astronomical Union | Cambridge Core"

[10]: https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev.astro.41.081401.155117 "Cool White Dwarfs | Annual Reviews"

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.