За миллисекунды Google может выдать факт, который долгое время ускользал от внимания многих глубочайших мыслителей человечества: Вселенной почти 14 миллиардов лет - 13,8 миллиардов лет, если быть точным. И многие космологи продолжают все больше верить в эту цифру. В конце декабря 2020 года группа исследователей, работающих на Атакамском космологическом телескопе (ACT) в Чили, опубликовала свою новую оценку - 13,77 миллиарда лет, плюс-минус несколько десятков миллионов лет. Их ответ совпадает с данными миссии "Планк", европейского спутника, который проводил аналогичные наблюдения в период с 2009 по 2013 год.
Точные наблюдения АСТ и Планка появились после того, как более тысячелетия люди наблюдали за небом и размышляли о том, откуда все это могло взяться. Каким-то образом приматы с продолжительностью жизни менее столетия получили представление о событиях, которые произошли за много веков до того, как их планета - и даже атомы, из которых будет состоять их планета - существовали. Вот краткий рассказ о том, как человечество пришло к выводу, сколько лет Вселенной.
Античность: Начало творения
У каждой культуры есть свой миф о сотворении мира. Вавилоняне, например, считали, что небеса и Земля были вырезаны из туши убитого бога. Но лишь немногие системы верований указывали, когда началось существование (исключением является индуизм, который учит, что Вселенная реформируется каждые 4,3 миллиарда лет, что не так уж далеко от фактического возраста Земли).
Идея, которая прижилась, по крайней мере на Западе, пришла от греческих философов, и на самом деле это был своего рода научный шаг назад. В четвертом и третьем веках до нашей эры Платон, Аристотель и другие философы придерживались идеи о том, что планеты и звезды находятся в вечно вращающихся небесных сферах. В течение следующего тысячелетия или около того мало кто предполагал, что у Вселенной вообще есть возраст.
1600-1900: Конец бесконечности
Астроном Иоганн Кеплер в 1610 году понял, что одна серьезная трещина в популярной космологии, вдохновленной греками, все это время смотрела звездочетам в лицо. Если вечная Вселенная содержит бесконечное число звезд, как многие считали, то почему все эти звезды не заливают Вселенную ослепительным светом? Темное ночное небо, рассуждал он, говорит о том, что космос конечен, и звезды в конце концов гаснут.
Столкновение между ночным небом и бесконечной Вселенной стало известно как парадокс Ольбера, по имени Генриха Ольбера, астронома, который популяризировал его в 1826 году. Ранняя версия современного решения пришла, как никто другой, от поэта Эдгара Аллана По. Мы переживаем ночь, рассуждал он в своей поэме в прозе "Эврика" в 1848 году, потому что Вселенная не вечна. Было начало, и с тех пор прошло недостаточно времени, чтобы звезды полностью осветили небо.
1900s: Современная и ранняя вселенные
Но решение парадокса Ольбера не заставило себя ждать. Когда в 1917 году собственная теория гравитации Эйнштейна показала ему, что Вселенная, скорее всего, растет или сжимается со временем, он добавил в свои уравнения подтасовку - космологическую постоянную, чтобы заставить Вселенную оставаться неподвижной (что позволило бы ей существовать вечно).
Тем временем более крупные телескопы открыли взору астрономов более четкие виды других галактик, что вызвало ожесточенные споры о том, смотрят ли они на далекие "островные вселенные" или на близлежащие звездные скопления внутри Млечного Пути. Зоркие глаза Эдвина Хаббла разрешили этот спор в конце 1920-х годов, впервые измерив межгалактические расстояния. Он обнаружил, что галактики не только были огромными и далекими объектами, но и удалялись друг от друга.
Вселенная расширялась, и Хаббл зафиксировал скорость ее расширения на уровне 500 километров в секунду на мегапарсек - константа, которая теперь носит его имя. С расширением Вселенной в руках у астрономов появился новый мощный инструмент, позволяющий заглянуть в прошлое и определить, когда космос начал расти. Работа Хаббла, выполненная в 1929 году, показала, что Вселенная расширяется таким образом, что ее возраст должен составлять примерно 2 миллиарда лет.
"Скорость расширения говорит о том, как быстро можно перемотать историю Вселенной, как старую кассету VHS", - говорит Дэниел Сколник, космолог из университета Дьюка. "Если скорость перемотки быстрее, значит, фильм короче".
Но измерение расстояний до далеких галактик - грязное дело. Более чистый метод появился в 1965 году, когда исследователи обнаружили слабый треск микроволн, идущий со всех сторон космоса. Космологи уже предсказывали, что такой сигнал должен существовать, поскольку свет, испускаемый всего через сотни тысяч лет после рождения Вселенной, должен был растягиваться в результате расширения пространства в более длинные микроволны. Измеряя характеристики этого космического микроволнового фона (CMB), астрономы могли сделать своего рода снимок молодой Вселенной, определить ее ранний размер и содержание. CMB послужил неопровержимым доказательством того, что у космоса было начало.
"Самое главное, чего удалось достичь благодаря окончательному открытию [CMB] в 1965 году, - это заставить всех нас серьезно отнестись к идее о существовании ранней Вселенной", - написал лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг в своей книге "Первые три минуты" в 1977 году.
С 1990 года по настоящее время: Уточнение расчетов
CMB позволил космологам получить представление о том, насколько большой была Вселенная в ранний период времени, что помогло им рассчитать ее размеры и расширение сегодня. Сколник сравнивает этот процесс с тем, как если бы на детской фотографии заметили, что рука ребенка кажется длиной в один фут, а затем оценили рост и скорость роста соответствующего подростка. Этот метод дал исследователям новый способ измерения текущей скорости расширения Вселенной. Оказалось, что она почти в десять раз медленнее, чем хаббловские 500 километров в секунду на мегапарсек, что отодвигает момент космического генезиса еще дальше в прошлое. В 1990-х годах оценки возраста варьировались от 7 до 20 миллиардов лет.
Кропотливые усилия многочисленных групп специалистов были направлены на то, чтобы уточнить лучшую в космологии оценку скорости расширения Вселенной. Наблюдения за галактиками с помощью космического телескопа "Хаббл" в 1993 году позволили установить текущую постоянную Хаббла на уровне 71 километра в секунду на мегапарсек, сузив возраст Вселенной до 9-14 миллиардов лет.
Затем в 2003 году космический аппарат WMAP зарегистрировал карту CMB с мелкими чертами. С помощью этих данных космологи рассчитали возраст Вселенной от 13,5 до 13,9 миллиардов лет. Примерно через десять лет спутник Planck измерил CMB еще более детально, получив постоянную Хаббла 67,66 и возраст 13,8 миллиарда лет. Новое независимое измерение CMB, проведенное ACT, дало практически те же цифры, что еще больше укрепило уверенность космологов в том, что они знают, что делают.
"Теперь мы получили ответ, в котором Планка и ACT согласны", - сказал Симон Айола, космолог из Института Флэтайрон и член коллаборации ACT, в пресс-релизе. "Это говорит о том, что эти сложные измерения надежны".
Далее: Космологический конфликт
Но по мере того, как измерения ранней и современной Вселенных становились все более точными, они начали противоречить друг другу. В то время как исследования, основанные на детской картинке CMB, предполагают постоянную Хаббла в районе 60 километров в секунду на мегапарсек, измерения расстояний до современных галактик (которые Сколник сравнивает с космическим "селфи") дают более быстрые темпы расширения в районе низких и средних 70-х годов. Сколник участвовал в одном из таких исследований в 2019 году, а другое измерение, основанное на яркости различных галактик, привело к аналогичному выводу (что современная Вселенная быстро расширяется) в январе 2021 года.
Если принять за чистую монету, то более высокие темпы, которые получают эти команды, могут означать, что Вселенная на самом деле примерно на миллиард лет моложе, чем канонические 13,8 миллиарда лет, полученные Планком и ACT.
Или же несоответствие может намекать на то, что в картине реальности космологов не хватает чего-то более глубокого. Например, связь МДБ с сегодняшним днем включает в себя предположения о плохо изученных темной материи и темной энергии, которые, по-видимому, доминируют в нашей Вселенной, и тот факт, что измерения постоянной Хаббла не совпадают, может указывать на то, что для вычисления истинного возраста Вселенной потребуется нечто большее, чем просто перемотка пленки.
"Я не уверен в том, как мы выводим возраст Вселенной", - говорит Сколник. "Я не говорю, что это неправильно, но я не могу сказать, что это правильно".