Опыт определения возраста Вселенной на основе эмпирических данных телескопа Хаббла в 2001 году как руководство к действию для уточнения научной картины Вселенной

Проблема определения возраста Вселенной тесно связана с вопросом о том, как появилась Вселенная и как проходила её эволюция. Длительное время господствовала концепция стационарной Вселенной. Её придерживалось большинство учёных, и верховенство этих представлений отодвигало на второй план проблему возраста Вселенной. Даже Альберт Эйнштейн, опубликовав в 1915 году свою общую теорию относительности, создал через два года первую космологическую модель исходя из представлений о стационарной Вселенной. Выведенные им уравнения поля общей теории относительности не отвечали критерию статичности Вселенной; в связи с этим Эйнштейн произвёл корректировку уравнений, введя в них лямбда-член (космологическую постоянную). Однако представления о стационарной модели Вселенной наталкивались на противоречия, вытекавшие из исследований в области термодинамики. Энтропия бесконечно старой стационарной Вселенной должна была бы привести к выравниванию температуры различных частей Вселенной, что не согласовывалось с существованием звёзд и с самим существованием жизни на Земле. Лишь практические космологические наблюдения могли разрешить противоречие между моделями стационарной и нестационарной Вселенной.

 Наблюдения, проведённые американскими астрономами Весто Мерлином Слайфером и Эдвином Пауэллом Хабблом в конце 1920-х годов, установили наличие других галактик, а также то, что спектры этих галактик имеют красное смещение в своих спектральных линиях, что, согласно эффекту Допплера, указывало на то, что эти галактики удаляются от Земли. Причём более тусклые (и более отдалённые) галактики имели более сильное красное смещение, а значит, они удалялись быстрее. Эти данные указывали на расширение Вселенной и опровергали модель стационарной Вселенной.

 Модель расширяющейся Вселенной сделала актуальным определение возраста Вселенной. Первые проектировки возраста Вселенной исходя из простого расчёта времени, которое должно было быть затрачено с момента удаления объектов из одной гипотетической точки, дало сильно заниженную оценку возраста Вселенной – не в последнюю очередь потому, что расстояние до галактик в то время было измерено неточно, и оно было очень занижено.

 Относительно точное значение постоянной Хаббла (коэффициента, связывающего расстояние до внегалактического объекта, со скоростью его удаления) было получено в 1958 году американским астрономом Алланом Сэндиджем. Высокая точность оценок этого показателя давала возможность с большей степенью приближения попытаться оценить возраст Вселенной. Следует, впрочем, отметить, что оценки постоянной Хаббла и до сегодняшнего дня варьируются в диапазоне примерно 67-74 (км/с)/Мпк в зависимости от методики измерения. Использование методов измерения, связанных с использованием стандартных свечей, и методов с использованием реликтового излучения дают разные показатели постоянной Хаббла.

 Запуск космического телескопа «Хаббл» 24 апреля 1990 года давал возможность провести качественные космические наблюдения, которые могли бы повысить точность оценок возраста Вселенной. Для этих целей был создан так называемый «Ключевой проект космического телескопа Хаббл», который немедленно начал свою работу. В группу Ключевого проекта входили 27 астрономов из 13 различных американских и международных организаций.

 Одной из важнейших целей проекта было повышение точности измерения расстояний до удалённых галактик, что дало бы возможность лучше определить размеры наблюдаемой части Вселенной (Метагалактики), оценить возраст Вселенной и попытаться спрогнозировать её судьбу. Как отметила руководитель проекта Венди Фридман из обсерватории Вашингтонского института Карнеги, до появления телескопа «Хаббл» разброс оценок возраста Вселенной был очень велик и варьировался от 10 до 20 миллиардов лет, что затрудняло разрешение вопросов о происхождении и судьбе Вселенной. Появление же телескопа «Хаббл» давало возможность войти в эру точной космологии. До появления телескопа «Хаббл» разброс оценок постоянной Хаббла составлял от 50 до 100 (км/с)/Мпк, даже несмотря на ту работу по многократной повышении точности измерений, которая была проделана Алланом Сэндиджем. 

       В 1994 году Венди Фридман, а также Роберт Кенникатт из Аризонского университета в Тусоне, Джереми Моулдиз Австралийского национального университета, работавшие в рамках Ключевого проекта, впервые объявили, что телескоп Хаббла обнаружил цефеиды в отдалённой спиральной галактике М100 из скопления Девы, расстояние до которой составляет 56 миллионов световых лет. Предварительные оценки постоянной Хаббла, по данным исследователей, составили 80 (км/с)/Мпк.

 В течение следующих пяти лет другая группа ученых под руководством Сэндиджа взяла на вооружение новый метод «космологической лестницы расстояний», в рамках которого для измерения расстояний использовались одновременно цефеиды из близлежащих галактик и «вторичные маркеры расстояния» - сверхновые типа Iа. В 1996 году группа Сэндиджа получила другие значения постоянной Хаббла, отличающиеся от показателей группы Фридман – вначале 57, а затем 59 (км/с)/Мпк.

 В дальнейшем группа Фридман изучила 18 галактик на расстоянии до 65 миллионов световых лет. Было обнаружено почти 800 переменных звёзд типа цефеид – особого класса пульсирующих звёзд, полезных для точного измерения межгалактических расстояний. С помощью этих звёзд исследователи откалибровали методы определения расстояний. Телескоп «Хаббл» дал возможность улавливать пульсации цефеид уже на расстояниях, в 10 раз больших, чем те, которые доступны для наземных телескопов. По итогам этих исследований исследователи «Ключевого проекта космического телескопа Хаббл» из группы Венди Фридман оценили к 1999 году постоянную Хаббла примерно в 70 (км/с)/Мпк с погрешностью оценок в 10 процентов.

 С учётом этих данных исследователи проекта предварительно оценили возраст Вселенной в 12 миллиардов лет. Следует отметить, что эти оценки были даны с учётом допущения, что плотность Вселенной ниже «критической плотности». Уже тогда исследователи предположили, что в случае значительного воздействия тёмной энергии возраст Вселенной будет старше этих оценок. И это предположение было вполне обоснованным, ведь оценка возраста Вселенной в 12 миллиардов световых лет в принципе совпадала с возрастом самых старых известных на тот момент звёзд. С учётом времени, необходимого на оформление структуры Вселенной в её современном виде и на звёздообразование, эти оценки могли указывать на то, что возраст Вселенной мог быть больше этих оценок, а значит, следовало принять во внимание значительное влияние тёмной энергии на процесс расширения Вселенной.

 Наконец, 20 мая 2001 года вышла научная публикация в «Астрофизическом журнале», издаваемом Американским астрономическом обществом, под названием «Окончательные результаты Ключевого проекта Космического телескопа Хаббла по измерению постоянной Хаббла». Статья опубликована коллективом авторов во главе с Венди Фридман. В статье указано, что более точное определение постоянной Хаббла стало возможным благодаря увеличению базовой выборки цефеид в Большом Магеллановом Облаке для определения базовых зависимостей «период – светимость», принятию во внимание металличности цефеид и более точной калибровки применяемых широкоугольной и планетарной камер. Были уточнены расстояния до 18 спиральных галактик, в которых были обнаружены цефеиды в рамках Ключевого проекта, а также до 13 дополнительных галактик по уточнённым данным о цефеидах. Калибровка расстояний по цефеидам сопоставлена с данными, полученными с помощью мазера. Итоговые данные измерения постоянной Хаббла составили 72 (км/с)/Мпк.

 Достаточно точное определение значения постоянной Хаббла дало возможность дать оценки возраста Вселенной. Вскоре после статьи Фридман было опубликовано исследование Джона Тонри «Сверхновые типа Ia, постоянная Хаббла, космологическая постоянная и возраст Вселенной». В этом исследовании, в отличие от оценок Фридман 1999 года, возраст Вселенной был оценен уже в 14 миллиардов лет, что заметно ближе к современным оценкам. Для оценки возраста Вселенной использовались как наработки команды Фридман, так и преимущества изучения сверхновых типа Iа как стандартных свечей, позволяющих надёжно оценивать темпы удаления галактик. Исследователи Космологического проекта исследования сверхновых сделали вывод о том, что Вселенная расширяется с ускорением, а наблюдение очень отдалённой сверхновой позволило им также наблюдать Вселенную в более ранней фазе, когда расширение Вселенной происходило с замедлением. Исследование поставило новые вопросы о том, почему замедляющееся расширение Вселенной на каком-то этапе сменилось ускорением расширения и стало ещё одним аргументом в пользу теории тёмной энергии, вызывающей ускорение расширения Вселенной. Однако исследование не дало ответа на вопрос о том, почему свойства тёмной энергии таковы, что могут заставить сменить замедление расширения Вселенной ускорением. Также в результате исследования не добавилось ясности о том, может ли в дальнейшем тёмная энергия проявить такие свойства, которые на каком-то этапе заставят смениться ускоренное расширение Вселенной сжатием. О такой возможности уже в следующем, 2002 году написал астрофизик Андрей Линде из Стэнфордского университета. Линде полагал, что тёмная энергия скалярного поля может перейти в отрицательную зону, что могло бы привести к переходу к Большому сжатию в диапазоне 10-20 миллиардов лет.

 Тем не менее, исследование Тонри, как уже было отмечено, дало довольно точные оценки возраста Вселенной. В более поздних исследованиях, взявших за основу измерение постоянной Хаббла и расстояния до сверхновых типа Iа, а также скорости их удаления от Земли, данные о возрасте Вселенной были дополнительно уточнены и оценены примерно в 13,88 миллиардов лет.

 Современные представления основаны на так называемой ΛCDM-модели. Это современная стандартная космологическая модель, предполагающая пространственно-плоскую Вселенную, заполненную барионной материей, тёмной материей и тёмной энергией. При этом тёмная энергия в современных моделях описывается с помощью космологической постоянной в уравнениях Эйнштейна (по сути, лямбда-член из его уравнений был адаптирован к модели расширяющейся Вселенной от модели стационарной Вселенной, для которой лямбда-член и был им введён). Оценки возраста Вселенной в рамках этой модели составляют примерно 13,799 миллиарда лет с погрешностью примерно 21 миллион лет. Модель учитывает предполагаемую космологическую инфляцию, предполагавшую расширение Вселенной огромными темпами вскоре после Большого взрыва, постепенное замедление расширения и последующее ускорение расширения.

 Стоит отметить, что столь точные оценки возраста Вселенной стали возможны только благодаря реализации Ключевого проекта Космического телескопа Хаббла. Запуск орбитального телескопа Хаббла сделал возможным более точное измерение расстояний до галактик, скорости их удаления от Млечного Пути и ускорения их удаления от Земли в определённый момент времени. Использование в работе особенностей цефеид, сверхновых типа Ia (стандартных свечей), учёт особенностей их состава дали возможность повысить точность оценок постоянной Хаббла, определение точного значения которой является ключевым фактором для уточнения возраста Вселенной. Реализация проекта заняла 11 лет – с 1990 по 2001 год. Реализацию Ключевого проекта Космического телескопа Хаббл следует признать одним из наиболее важный достижений по итогам проведения наблюдений и анализа данных, поступающих с телескопа Хаббла.

 В связи с вышеизложенным хотелось бы также обратить внимание на планирующийся в 2029 году запуск проекта «Спектр-УФ» (Всемирная космическая обсерватория «Ультрафиолет»), который будет предназначен для получения изображений удалённых космических объектов в недоступном для наблюдений наземными инструментами участке электромагнитного спектра – ультрафиолетовом. Этот планируемый к реализации крупный отечественный проект может внести большой вклад в построение барионной карты Вселенной, в том числе скрытой от наблюдения тёмной материи. Построение барионной карты Вселенной позволит, как представляется уточнить предполагаемое значение средней плотности материи во Вселенной, а также параметра плотности Ω, характеризующегося как отношение средней плотности материи во Вселенной к критическому значению этой плотности. Уточнение информации о количестве скрытой барионной материи в рамках проекта «Спектр-УФ» может быть реализовано с помощью наблюдений в ультрафиолетовом диапазоне 115-315нм. 1,7 метровый телескоп Ричи-Кретьена будет оснащён в том числе вакуумным ультрафиолетовым эшелле-спектрографом VUVES, ультрафиолетовым эшелле-спектрографом UVES, длиннощелевым спектрографом. При этом блоки полевых камер в дальнем УФ-диапазоне позволят получать изображения с высоким разрешением с помощью детектора МСР. Использование данного инструментария, в частности, является перспективным для выявления недоступного пока для наблюдений межзвёздного газа, которое может осуществляться с помощью «просвечивания» облаков такого газа с помощью далёких квазаров, активных ядер галактик, в центрах которых находятся свермассивные чёрные дыры.

 Реализация данного проекта, как можно предполагать, позволит с большей точностью определить значение постоянной Хаббла, а получение в ходе реализации проекта новой информации о скрытой материи может дополнить представления об эволюции Вселенной и уточнить данные о возрасте Вселенной. Хотелось бы надеяться, что реализация проекта позволит пролить свет на отличия в измерении постоянной Хаббла на основе данных реликтового излучения и стандартных свечей. Построение барионной карты Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне может быть полезным для решения этой задачи, а дополнительная верификация постоянной Хаббла позволит не только уточнить сведения о возрасте Вселенной, но и пролить свет на особенности основных этапов её эволюции.

 Говоря о возрасте Вселенной, стоит также отметить, что данное понятие во многом является условным и оценивается применительно к времени, прошедшему между космической сингулярностью до начала Планковской эпохи и настоящим временем. Период до сингулярности (либо до первоначальных квантовых флуктуаций в ложном вакууме) не принимается в расчёт, а также не анализируется проблема возраста Вселенной с точки зрения её возможной роли как части Мультивселенной. Поэтому возраст Вселенной, по сути, оценивается в узком смысле, лишь как период современного развития Вселенной на основе существующих фундаментальных констант и физических законов.

Проблема возраста Вселенной тесно связана с вопросами её дальнейшей эволюции, а также с вопросами изучения тёмной энергии. Физика будущего должна будет дать ответ о природе тёмной энергии, определить значения средней плотности Вселенной, её кривизны. Нужно будет провести проверку Стандартной модели, попытаться построить Теорию всего, детально изучить все фундаментальные виды взаимодействий и свести их в единую картину мироздания. Необходимо будет также проверить имеющиеся научные теории, включая теорию суперструн, и попытаться построить верифицируемую модель бранной космологии. Необходимо провести детальный анализ красного и фиолетового смещения в различных видах галактик, находящихся на различных расстояниях от Млечного пути, и попытаться соотнести современные данные о смещениях в спектрах галактик с тем, что эти данные получены от галактик по состоянию на многие миллионы лет назад – время, за которое ситуация с ускорением расширения, замедлением расширения, сжатием Вселенной могла изменяться, однако актуальные данные нам пока недоступны ввиду огромных расстояний от наблюдаемых объектов. Изучение природы тёмной энергии может дополнить наши представления об эволюции Вселенной и сделать соответствующие прогнозы относительно моделей её эволюции. В любом случае, Ключевой проект Космического телескопа Хаббла продемонстрировал, что введение в эксплуатацию новой, более современной аппаратуры позволяет получать детальную информацию об удалённых квазарах, галактиках, цефеидах, а уточнённые эмпирические данные дают возможность радикально уточнить данные о фундаментальных константах Вселенной и построить приближенную к реальности модель её эволюции. Хотелось бы надеяться, что реализация и отечественной наукой таких крупных проектов, как «Спектр-УФ» позволит дополнить картину эволюции и структуры Вселенной и не только уточнить имеющиеся данные, но и получить качественно новую информацию о фундаментальных процессах во Вселенной.

Юрий Понажев, АГО, Смоленск