Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Сколько лет нашей галактике?

16.11.2010 Наука и жизнь

Паспорт Вселенной Астрологи подробно изучили раннюю биографию Вселенной. Но довольно ее правильного возраста у них были сомнения, каковые удалось развеять лишь в последние несколько десятков лет
Круг судьбы Звезды массы порядка солнечной по мере исчерпания запасов водорода разбухают и переходят в категорию красных гигантов, по окончании чего их гелиевое ядро при сжатии разогревается и начинается горение гелия.

Через некое время звезда сбрасывает оболочку, образуя планетарную туманность, а позже переходит в категорию белых карликов и потом остывает
Аппроксимация в прошлое В зависимости от соотношения между разными факторами график размера Вселенной имеет различную форму и в будущем, и в прошлом, что воздействует на оценку ее возраста. Текущие наблюдения говорят о том, что Вселенная расширяется экспоненциально (красный график)

Мудрецы Греции и Вавилона вычисляли мироздание вечным и неизменным, а индуистские хронисты в 150 году до н.э. определили, что ему в точности 1 972 949 091 год (кстати, по порядку величины они не очень сильно совершили ошибку!).Сколько лет нашей галактике? В первой половине 40-ых годов XVII века британский теолог Джон Лайтфут методом скрупулезного анализа библейских текстов вычислил, что сотворение мира пришлось на 3929 год до н.э.; спустя пара лет ирландский епископ Джеймс Ашер передвинул его на 4004 год.

Основатели современной науки Иоганн Исаак и Кеплер Ньютон также не прошли мимо данной темы. Не смотря на то, что они апеллировали не только к Библии, но и к астрономии, их результаты были похожими на годы и — 3993 вычисления 3988 богословов до н.э. В отечественное просвещенное время возраст Вселенной определяют иными методами.

Дабы встретиться с ними в исторической проекции, сначала посмотрим на собственную планету и ее космическое окружение.

Гадание по камням

Со второй половины XVIII века ученые начали оценивать Солнца и возраст Земли на базе физических моделей. Так, во второй половине 80-ых годов XVIII века французский натуралист Жорж-Луи Леклерк заключил, что, если бы отечественная планета при рождении была шаром из расплавленного железа, ей необходимо было бы от 75 до 168 тысяч лет, дабы остыть до нынешней температуры. Через 108 лет инженер и ирландский математик Джон Перри заново просчитал тепловую историю Почвы и выяснил ее возраст в 2−3 млрд лет.

В начале XX столетия лорд Кельвин заключил, что в случае если Солнце неспешно сжимается и светит только за счет высвобождения гравитационной энергии, то его возраст (и, следовательно, большой возраст остальных и Земли планет) может составить пара сотен миллионов лет. Но в то время геологи не смогли ни подтвердить, ни опровергнуть эти оценки из-за отсутствия надежных способов геохронологии.

В середине первого десятилетия ХХ века Эрнест американский химик и Резерфорд Бертрам Болтвуд создали базы радиометрической датировки земных пород, которая продемонстрировала, что Перри был большое количество ближе к истине. В 1920-х были отысканы образцы минералов, чей радиометрический возраст приближался к 2 млрд лет. Позднее геологи неоднократно повышали эту величину, и к настоящему времени она выросла более чем в два раза — до 4,4 млрд.

Дополнительные эти предоставляет изучение «небесных камней» — метеоритов. Практически все радиометрические оценки их возраста укладываются в промежуток 4,4−4,6 млрд лет.

Современная гелиосейсмология разрешает конкретно выяснить и возраст Солнца, что, по последним данным, образовывает 4,56 — 4,58 млрд лет. Потому, что длительность гравитационной конденсации протосолнечного облака исчислялась всего лишь миллионами лет, возможно с уверенностью утверждать, что от начала этого процесса до наших дней прошло не более 4,6 млрд лет.

Наряду с этим солнечное вещество содержит множество элементов тяжелее гелия, каковые появились в термоядерных топках массивных звезд прошлых поколений, выгоревших и взорвавшихся сверхновыми. Это указывает, что протяженность существования Вселенной очень сильно превышает возраст Нашей системы. Дабы выяснить меру этого превышения, необходимо выйти сперва в отечественную Галактику, а после этого и за ее пределы.

Следуя за белыми карликами

Время судьбы отечественной Галактики возможно определять различными методами, но мы ограничимся двумя самыми надежными. Первый способ основан на мониторинге свечения белых карликов. Эти компактные (приблизительно с Почву величиной) и изначально весьма тёплые небесные тела являются конечную стадию судьбы фактически всех звезд за исключением самых массивных.

Для превращения в белый карлик звезда обязана всецело сжечь все собственный термоядерное горючее и претерпеть пара катаклизмов — к примеру, на какое-то время стать красным гигантом.

Обычный белый карлик полностью складывается из ионов кислорода и углерода, загружённых в вырожденный электронный газ, и имеет узкую воздух, в составе которой господствуют водород либо гелий. Его поверхностная температура образовывает от 8 000 до 40 000 К, тогда как центральная территория нагрета до миллионов а также десятков миллионов градусов.

В соответствии с теоретическим моделям, смогут кроме этого рождаться карлики, состоящие в основном из кислорода, магния и неона (в каковые при определенных условиях преобразовываются звезды с массой от 8 до 10,5 либо кроме того до 12 солнечных весов), но их существование еще не доказано. Теория кроме этого говорит, что звезды, как минимум в два раза уступающие Солнцу по массе, заканчивают жизнь в виде гелиевых белых карликов.

Такие звезды весьма бессчётны, но они сжигают водород очень медлительно и посему живут многие сотни и десятки миллионов лет. До тех пор пока что им просто не хватило времени, чтобы исчерпать водородное горючее (весьма немногочисленные гелиевые карлики, найденные к настоящему времени, обитают в двойных совокупностях и появились совсем вторым методом).

Коль не так долго осталось ждать белый карлик неимеетвозможности поддерживать реакции термоядерного синтеза, он светит за счет накопленной энергии и потому медлительно остывает. Темпы этого охлаждения возможно вычислить и на данной базе выяснить время, потребное для понижения температуры поверхности от начальной (для обычного карлика это приблизительно 150 000 К) до замечаемой. Потому, что нас интересует возраст Галактики, направляться искать самые долгоживущие, а потому и самые холодные белые карлики.

Современные телескопы разрешают найти внутригалактические карлики с температурой поверхности менее 4000 К, светимость которых в 30 000 раз уступает солнечной. До тех пор пока они не отысканы — или их нет по большому счету, или мало. Из этого следует, что отечественная Галактика не может быть старше 15 млрд лет, в противном случае они бы находились в заметных количествах.

Это верхняя граница возраста. А что возможно сообщить о нижней? Самые холодные из сейчас известных белых карликов были зарегистрированы космическим телескопом «Хаббл» в 2002 и 2007 годах. Вычисления продемонстрировали, что их возраст образовывает 11,5 — 12 млрд лет. К этому еще необходимо добавить возраст звезд-предшественниц (от полумиллиарда до миллиарда лет). Из этого следует, что Млечный Путь никак не моложе 13 млрд лет.

Так что окончательная оценка его возраста, полученная на базе наблюдения белых карликов, — приблизительно 13 — 15 млрд лет.

Шаровые свидетельства

Второй способ основан на изучении шарообразных звездных скоплений, находящихся в периферийной территории Млечного Пути и находящихся на орбите его ядра. Они содержат от сотен тысяч до более чем миллиона звезд, связанных обоюдным притяжением.

Шаровые скопления имеются фактически во всех больших галактиках, причем их количество иногда достигает многих тысяч. Новые звезды в том месте фактически не рождаются, но пожилые светила присутствуют в избытке. В отечественной Галактике зарегистрировано около 160 таких шаровых скоплений, и, быть может, будут открыты еще два-три десятка. Механизмы их формирования не в полной мере ясны, но, наверное, многие из них появились практически сразу после рождения самой Галактики.

Исходя из этого датировка формирования старейших шаровых скоплений разрешает установить и нижнюю границу галактического возраста.

Такая датировка очень сложна технически, но в базе ее лежит весьма несложная мысль. Все звезды скопления (от сверхмассивных до самых легких) образуются из одного итого же газового облака и потому рождаются фактически в один момент. С течением времени они выжигают главные запасы водорода — одни раньше, другие позднее.

На данной стадии звезда покидает основную последовательность и претерпевает серию превращений, каковые завершаются или полным гравитационным коллапсом (за которым направляться формирование нейтронной звезды либо черной дыры), или происхождением белого карлика. Исходя из этого изучение состава шарового скопления разрешает достаточно определить его возраст. Для надежной статистики число изученных скоплений должно составить не меньше нескольких десятков.

Такую работу три года назад выполнила команда астрологов, пользовавшихся камерой ACS (Advanvced Camera for Survey) космического телескопа «Хаббл». Мониторинг 41 шарового скопления отечественной Галактики продемонстрировал, что их средний возраст образовывает 12,8 млрд лет. Рекордсменами были скопления NGC 6937 и NGC 6752, удаленные от Солнца на 7200 и 13 000 световых лет.

Они наверняка не моложе 13 млрд лет, причем самоё вероятное время судьбы второго скопления -13,4 млрд лет (действительно, с погрешностью плюс-минус миллиард).

Но же отечественная Галактика должна быть постарше собственных скоплений. Ее первые сверхмассивные звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос ядра многих элементов, например, ядра стабильного изотопа бериллия-бериллия-9. В то время, когда начали формироваться шаровые скопления, их новорожденные звезды уже содержали бериллий, причем тем больше, чем позднее они появились. По содержанию бериллия в их воздухах возможно узнать, как скопления моложе Галактики.

Как по данным по скоплению NGC 6937, эта отличие образовывает 200 — 300 млн лет. Так что без громадной натяжки возможно заявить, что возраст Млечного Пути превышает 13 млрд лет и, быть может, достигает 13,3 — 13,4 млрд. Это фактически такая же оценка, как и сделанная на основании наблюдения белых карликов, но взята она совсем иным методом.

Закон Хаббла

Научная постановка вопроса о возрасте Вселенной стала вероятной только в начале второй четверти прошлого века. В начале прошлого века Эдвин Хаббл и его помощник Милтон Хьюмасон занялись уточнением расстояний до десятков туманностей за пределами Млечного Пути, каковые только несколькими годами ранее стали считать независимыми галактиками.

Эти галактики удаляются от Солнца с радиальными скоростями, каковые были измерены по величине красного смещения их спектров. Не смотря на то, что дистанции до большинства таких галактик удалось выяснить с громадной погрешностью, Хаббл все же узнал, что они приблизительно пропорциональны радиальным скоростям, о чем и написал в статье, размещённой в начале 1929 года. Два года спустя Хаббл и Хьюмасон подтвердили данный вывод на основании результатов наблюдений вторых галактик — кое-какие из них отдалены более чем на 100 млн световых лет.

Эти сведенья легли в базу прославленной формулы v=H0d, известной как закон Хаббла. Тут v — радиальная скорость галактики по отношению к Почва, d — расстояние, H0 — коэффициент пропорциональности, чья размерность, как легко видеть, обратна размерности времени (раньше его именовали постоянной Хаббла, что неверно, потому, что в предшествующие эры величина H0 была другой, чем в наши дни).

Сам Хаббл и еще многие астрологи продолжительное время отказывались от догадок о физическом смысле этого параметра. Но Жорж Леметр еще во второй половине 20-ых годов XX века продемонстрировал, что неспециализированная теория относительности разрешает трактовать разлет галактик как свидетельство расширения Вселенной. Четырьмя годами позднее он имел смелость довести данный вывод до логического финиша, выдвинув догадку, что Вселенная появилась из фактически точечного зародыша, что он, за неимением лучшего термина, назвал атомом.

Данный первородный атом имел возможность пребывать в статичном состоянии любое время впредь до бесконечности, но его «взрыв» породил расширяющееся пространство, заполненное излучением и материей, которое за конечное время дало начало нынешней Вселенной. Уже в собственной первой статье Леметр вывел полный аналог хаббловской формулы и, располагая известными к тому времени данными о дистанциях и скоростях последовательности галактик, взял приблизительно такое же значение коэффициента пропорциональности между скоростями и дистанциями, что и Хаббл.

Но его статья была напечатана на французском языке в неизвестном бельгийском издании и сначала осталась незамеченной. Практически всем астрологов она стала известна только в первой половине 30-ых годов двадцатого века по окончании публикации ее британского перевода.

Хаббловское время

Из данной работы Леметра и более поздних трудов как самого Хаббла, так и других космологов прямо следовало, что возраст Вселенной (конечно, отсчитанный от начального момента ее расширения) зависит от величины 1/H0, которую сейчас именуют хаббловским временем. Темперамент данной зависимости определяется конкретной моделью мироздания. В случае если вычислять, что мы живем в плоской Вселенной, заполненной гравитирующим излучением и веществом, то для вычисления ее возраста 1/H0 нужно умножить на 2/3.

Тут-то и появилась загвоздка. Из измерений Хаббла и Хьюмасона вытекало, что численная величина 1/H0 примерно равна 1,8 млрд лет. Из этого следовало, что Вселенная появилась 1,2 млрд лет назад, что очевидно противоречило кроме того очень сильно заниженным в то время оценкам возраста Почвы.

Из этого затруднения возможно было выпутаться, предположив, что галактики разлетаются медленнее, чем вычислял Хаббл. Со временем это допущение подтвердилось, но неприятности так и не решило. По данным, взятым к концу прошлого века посредством оптической астрономии, 1/H0 образовывает от 13 до 15 млрд лет.

Так что расхождение все же оставалось, потому, что пространство Вселенной как считалось, так и считается плоским, а две трети хаббловского времени очень сильно меньше кроме того самых скромных оценок возраста Галактики.

В общем виде это несоответствие было устранено в 1998 — 1999 годах, в то время, когда две команды астрологов доказали, что последние 5 — 6 млрд лет космическое пространство расширяется не с падающей, а возрастающей скоростью. Это ускорение в большинстве случаев растолковывают тем, что в отечественной Вселенной растет влияние антигравитационного фактора, так называемой чёрной энергии, плотность которой не изменяется со временем.

Потому, что плотность гравитирующей материи падает по мере расширения Космоса, чёрная энергия все успешней соперничает с тяготением. Длительность существования Вселенной с антигравитационной компонентой вовсе не обязана быть равной двум третям хаббловского времени. Исходя из этого открытие ускоряющегося расширения Вселенной (отмеченное в 2011 году Нобелевской премией) разрешило устранить расстыковку между космологическими и астрономическими оценками времени ее жизни.

Оно кроме этого стало прелюдией к разработке нового способа датирования ее рождения.

Космические ритмы

30 июня 2001 года NASA послало в космос зонд Explorer 80, через два года переименованный в WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Его аппаратура разрешила регистрировать температурные флуктуации микроволнового реликтового излучения с угловым разрешением менее трех десятых градуса.

Тогда уже было как мы знаем, что спектр этого излучения полностью сходится со спектром совершенного тёмного тела, нагретого до 2,725 К, а колебания его температуры при «крупнозернистых» измерениях с угловым разрешением в 10 градусов не превышают 0,000036 К. Но на «мелкозернистой» шкале зонда WMAP амплитуды таких флуктуаций были в шесть раза больше (около 0,0002 К). Реликтовое излучение выяснилось пятнистым, тесно испещренным чуть более и чуть менее нагретыми участками.

Флуктуации реликтового излучения порождены колебаниями плотности электронно-фотонного газа, что некогда заполнял космическое пространство. Она упала практически до нуля примерно через 380 000 лет по окончании Громадного взрыва, в то время, когда фактически все свободные электроны соединились с ядрами водорода, гелия и лития и тем самым положили начало нейтральным атомам.

До тех пор пока этого не случилось, в электронно-фотонном газе распространялись звуковые волны, на каковые воздействовали гравитационные поля частиц чёрной материи. Эти волны, либо, как говорят астрофизики, звуковые осцилляции, наложили отпечаток на спектр реликтового излучения. Данный спектр возможно расшифровать при помощи магнитной гидродинамики и теоретического аппарата космологии, что позволяет по-новому оценить возраст Вселенной.

Как показывают новейшие вычисления, его самая вероятная протяженность образовывает 13,72 млрд лет. Она и считается на данный момент стандартной оценкой времени судьбе Вселенной. В случае если учесть все вероятные неточности, приближения и допуски, возможно заключить, что, в соответствии с итогам зонда WMAP, Вселенная существует от 13,5 до 14 млрд лет.

Так, астрологи, оценивая возраст Вселенной тремя разными методами, взяли в полной мере совместимые результаты. Исходя из этого сейчас мы знаем (либо, выражаясь осмотрительнее, считаем, что знаем), в то время, когда появилось отечественное мироздание — по крайней мере, с точностью до нескольких сотен миллионов лет. Возможно, потомки внесут ответ данной вековой тайной в список самых астрофизики и замечательных достижений астрономии.

Природные часы

В соответствии с радиометрической датировке, самыми ветхими породами на Земле на данный момент считаются серые гнейсы побережья Громадного Невольничьего озера на северо-западе Канады — их возраст выяснен в 4,03 млрд лет. Еще раньше (4,4 млрд лет назад) кристаллизовались небольшие зерна минерала циркона, природного силиката циркония, отысканные в гнейсах в западной части Австралии. А раз в те времена уже существовала земная кора, отечественная планета должна быть пара старше.

Что касается метеоритов, самая точную данные дает датировка кальциево-алюминиевых вкраплений в веществе каменноугольных хондритовых метеоритов, которое фактически не изменилось по окончании его формирования из газопылевого облака, окружавшего новорожденное Солнце. Радиометрический возраст аналогичных структур в метеорите Ефремовка, отысканном в первой половине 60-ых годов двадцатого века в Павлодарской области Казахстана, образовывает 4 млрд 567 млн лет.

Безлюдный мир

В соответствии с последним измерениям, нижняя граница хаббловского времени образовывает 13,5 млрд лет, а верхняя — 14 млрд. Получается, что сегодняшний возраст Вселенной приблизительно равен нынешнему хаббловскому времени. Такое равенство должно строго соблюдаться для полностью безлюдной Вселенной, где нет ни гравитирующей материи, ни антигравитирующих полей.

Но так как в отечественном мире хватает и того, и другого. Дело в том, что пространство сперва расширялось с замедлением, позже скорость его расширения стала расти, и в нынешнюю эру эти противоположные тенденции практически скомпенсировали друг друга.

Статья «Возраст мироздания» размещена в издании «Популярная механика» (№115, май 2012).

Случайные записи:

Размеры звезд и Галактик


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,