Câți ani are Universul? Un mister cosmic masiv, explicat

„Spațiul este mare. Foarte mare. Pur și simplu nu o să-ți vină să crezi cât de mare, uriaș, uluitor de mare este. Adică, s-ar putea să crezi că este un drum lung până la chimist, dar asta înseamnă doar arahide către spațiu. ” — Douglas Adams, Ghidul autostopulului în galaxie

Observatoare precum Telescopul Hubble și Telescopul Spațial James Webb oferă omenirii puterea de a vedea lucrurile mai departe decât oricând. Când privim adânc în cerul nopții, privim și înapoi în timp. În comparație cu universul în ansamblu, Pământul este destul de tânăr la 4,5 miliarde de ani. Oamenii de știință au ajuns la acest număr din cauza dovezilor din datarea radiometrică, care măsoară rata dezintegrarii radioactive a elementelor cu timpi de înjumătățire cunoscut. Roci lunare, zirconii antici, meteoriți — toate spun același lucru: Pământul are 4,5 miliarde de ani.

Dar de unde se află Pământul în universul observabil, punctul nostru de vedere se extinde cu peste 13 miliarde de ani în trecut. Mult în afara Grupului nostru Local, astronomii au descoperit galaxii atât de sărace în metal și atât de profund deplasate spre roșu încât par să se fi format la mai puțin de 300 de milioane de ani după Big Bang, începutul universului nostru cunoscut.

De cât timp există universul? Oamenii de știință estimează că universul are o vechime de 13,8 miliarde de ani, cu o incertitudine de plus sau minus de doar două procente.

Dar de unde știm?

Lumânări standard și scara distanței cosmice

În 1924, observând cerul nopții prin ceea ce era atunci cel mai mare telescop din lume, cosmologi, inclusiv Edwin Hubble și Georges Lemaître, au raportat că aproape fiecare galaxie se îndepărta de Pământ. Mai mult, cu cât galaxiile erau mai îndepărtate, cu atât Mai repede se îndepărtau.

Observațiile ulterioare ale telescopului spațial omonim al lui Hubble și ale JWST au confirmat această relație între distanță și viteză. Nu numai că majoritatea galaxiilor se îndepărtează de Pământ, dar se îndepărtează și una de cealaltă, cu o viteză proporțională cu cât de departe se află.

Edwin Hubble și-a bazat calculele distanței pe o „lumânare standard” cosmologică numită variabile cefeide: stele a căror luminozitate este puternic și direct legată de perioada de pulsație. Variabilele cefeide sunt o treaptă importantă pe scara distanței cosmice, un sistem folosit de astronomi care construiește o observație pe alta pentru a trage concluzii logice despre lucruri mult mai îndepărtate decât pot rezolva telescoapele noastre. Astronomii din Grecia antică și-au dat seama deja că pentru două stele de același tip, cea mai îndepărtată va fi mai mică pe cer, dar nu știau ce știm acum: unele tipuri de stele sunt mai mari decât altele la un moment dat. luminozitatea. Deoarece cunoaștem adevărata luminozitate a variabilelor cefeide, putem calcula cu precizie distanța acestora. Asta ne permite să măsurăm distanța până la obiecte foarte îndepărtate.

Lumina de la propriul nostru soare are o lungime de undă mai scurtă atunci când este emisă de partea discului solar care se rotește spre noi și o lungime de undă mai mare pe partea care se rotește departe de Pământ. Acest fenomen, cunoscut sub numele de efect Doppler, este același lucru care schimbă sunetul unei sirene pe măsură ce se apropie și pleacă. Hubble și contemporanii săi au observat că stelele și galaxiile în rotație a căror mișcare adecvată le mișcă în raport cu Pământul arată, de asemenea, acest efect, întinzând sau strigând lungimea de undă a luminii lor, în funcție de faptul că se apropie sau se îndepărtează. Cu cât deplasarea Doppler este mai pronunțată, cu atât un lucru se mișcă mai repede.

Cu suficiente măsurători ale distanței și vitezei de recesiune, cosmologii pot calcula rata cu care spațiu-timp se extinde: H0. Dar dacă galaxiile se îndepărtează, trebuie să fi început mai aproape una de cealaltă. Pe măsură ce drumurile lor converg, putem vedea unde și când au început în primul rând. De acolo, oamenii de știință pot derula timpul cosmic, mergând ceasul înapoi pentru a estima vârsta maximă a universului.

Fundalul cosmic cu microunde

Timpul începe pentru noi în momentul Big Bang, când într-o mică fracțiune de secundă, o explozie de o magnitudine de neînțeles a aruncat în exterior o cantitate uriașă de materie și energie. În primele câteva picosecunde după Big Bang, legile fizicii au fost foarte diferite de cele din cadrul nostru de referință. Pe măsură ce supa de gluon primordial s-a extins în exterior, s-a răcit, dar pentru a face asta, a trebuit să depășească limitele universului observabil.

Credit: ESA – C. Carreau

După Big Bang, în primii aproximativ 380.000 de ani, universul a fost atât de fierbinte și de dens încât a fost efectiv opac. La fel ca miezul unei stele, electronii erau înghesuiți atât de strâns, încât fotonii nu puteau merge nicăieri. Pe măsură ce universul s-a răcit și s-a extins, brusc, fotonii au putut găsi căi spre exterior.

Spațiul însuși a eliberat fotonii într-o explozie titanică de radiații, ale cărei ultime urme le vedem ca fundalul cosmic cu microunde: strălucirea care se estompează a radiațiilor reziduale rămase de la Big Bang după tot acest timp.

Credit: ESA/Planck Collaboration

Unii fotoni CMB sunt polarizați, ceea ce înseamnă că pe măsură ce călătoresc spre exterior de la sursa lor, ei vibrează într-o direcție „preferată”. Modelele de polarizare le spun astronomilor despre ultima interacțiune dintre acei fotoni și electronii care i-au prins în capcană cu mult timp în urmă, deoarece în locurile unde erau cei mai mulți electroni, materia era cel mai dens concentrată.

Probleme și necunoscute

Toate cele de mai sus ne fac să credem că avem o idee destul de solidă despre cât de vechi este universul. Pe măsură ce tehnologia telescopului nostru se îmbunătățește, incertitudinea în modelele noastre scade. Dar pentru că nimic nu este ușor în cosmologie, există unele discrepanțe.

1. Tensiunea Hubble

Lumina pare să respecte un fel de limită de viteză cosmică abreviată ca ccare a fost o parte integrantă a teoriei relativității a lui Einstein. Cu toate acestea, spațiu-timpul în sine nu poate fi supus aceleiași limite de viteză. Universul are 13,8 miliarde de ani, dar raza universului observabil nu este de 13,8 miliarde de ani-lumină. În schimb, universul observabil este ceva 46,5 miliarde de ani-lumină diametru. Acest lucru se datorează faptului că țesătura spațiu-timpului s-a extins de când lumina pe care o vedem și-a părăsit sursele îndepărtate. Rata sa de expansiune ne spune despre vârsta sa, dar metodele noastre principale de măsurare a acestei rate oferă răspunsuri diferite.

Modelul predominant al cosmologiei, numit model lambda-CDM (lambda pentru constanta cosmologică; CDM pentru materia întunecată rece — mai multe despre asta într-un moment), impune o limită superioară pentru vârsta universului: 14,5 miliarde de ani, vârfuri. În acest model, materia întunecată și energia întunecată sunt cruciale pentru a explica structura universului la cele mai mari scale. Dar modelul trebuie să țină seama și de fondul cosmic cu microunde și de schimbarea ratei de expansiune a universului. Aici se află frecarea. Diferite surse de observație oferă, de asemenea, valori ușor diferite pentru vârsta universului. Această discrepanță este o problemă cosmologică cunoscută sub numele de tensiune Hubble.

Totuși, diferența este foarte mică. De exemplu, misiunea Planck a Agenției Spațiale Europene, un telescop spațial lansat pentru a observa fundalul cosmic cu microunde, a returnat date care indică o vârstă de 13,787 miliarde de ani. Între timp, proiectul Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) al NASA a calculat că universul are o vechime de 13,772 miliarde de ani.

2. Extinderea spațiu-timp față de „lumină obosită”

Universul trebuie să fie cel puțin la fel de vechi ca cel mai vechi lucru din el. Cele mai vechi galaxii observate sunt profund deplasate spre roșu (z = 11 sau mai mare), și s-ar putea să se fi format în câteva sute de ani de la Big Bang. Lumina de la aceste obiecte a călătorit peste 13 miliarde de ani lumină pentru a ajunge la noi.

Pentru ca universul să fie mai vechi de aproximativ 14 miliarde de ani, ar trebui să renunțăm la majoritatea ipotezelor din modelul lambda-CDM, care altfel se potrivește cu dovezile observaționale. Cu toate acestea, o lucrare din 2023 calculează vârsta universului ca fiind aproximativ de două ori mai mare decât – 26,7 miliarde de ani. Ce dă?

Logica lucrării se bazează pe un fenomen numit „lumină obosită”, pe care fizicianul Fritz Zwicky l-a propus în 1929 pentru a explica deplasarea spre roșu a fotonilor din surse îndepărtate.

Fotoni de la o sursă în mișcare departe din noi par să se schimbe în drumul lor aici. Lungimea lor de undă crește, ceea ce o vedem ca o schimbare a culorii către roșu. Lumina dintr-o sursă care se apropie de Pământ, între timp, pare să se deplaseze către capătul „mai albastru” al spectrului de energie mai înaltă.

Cosmologia actuală explică această deplasare spre roșu ca un produs al expansiunii spațiului în sine, suficient de rapid pentru a extinde lungimea de undă a unui foton care se mișcă prin el. În secolul de la raportul inițial al lui Hubble, mii de sondaje care investighează milioane de stele și galaxii au confirmat observațiile lui și ale colegilor săi – și au fundamentat teoria relativității dincolo de orice îndoială rezonabilă. Dar „lumina obosită” a lui Zwicky sugerează că fotonii pierd energie pe măsură ce călătoresc prin spațiu-timp.

Rajendra Gupta, un fizician de la Universitatea din Ottawa și autorul lucrării din 2023 „lumină obosită”, recunoaște că teoria luminii obosite intră în conflict cu observațiile. Cu toate acestea, Gupta a spus: „Permițând acestei teorii să coexiste cu universul în expansiune, devine posibilă reinterpretarea deplasării spre roșu ca un fenomen hibrid, mai degrabă decât doar datorită expansiunii”. Cu alte cuvinte, nu știm ceea ce nu știm.

Materia întunecată

Incertitudinea în măsurătorile noastre cu privire la vârsta universului nostru și faptul că există tensiunea Hubble nu invalidează măsurătorile noastre. Ne arată că modelele noastre mărețe au nevoie de o unificare. Chiar în fruntea liniei, se află modelul lambda-CDM. Materia întunecată este încă un cal întunecat și aceasta este o altă problemă.

Încă se dezbate aprins modul în care materia întunecată figurează în marea schemă a lucrurilor – sau dacă există ceva precum materia întunecată sau energia întunecată, în primul rând. Unii astronomi au propus un sistem de dinamică newtoniană modificată ca alternativă la materia întunecată rece, sau chiar modele mai exotice, inclusiv cosmologia branelor, care este legată de teoria corzilor. Cu toate acestea, înțelegerea materiei întunecate va necesita niște dovezi extraordinare: multe observații ale particulelor candidate de materie întunecată și câteva modele de fizică strălucitoare pentru a le explica.

Dacă materia întunecată apare ca o teorie, va afecta, de asemenea, așteptările noastre cu privire la comportamentul pe termen lung al universului. Rata cu care universul se extinde are implicații pentru soarta sa finală: moartea prin căldură, un Big Rip, eventual colaps într-o nouă singularitate atotcuprinzătoare sau cu totul altceva.

Dacă universul se extinde cu o rată constantă, în echilibru cu gravitația, ar putea dura pentru totdeauna. Cu toate acestea, oamenii nu ar putea să-l vadă. Peste aproximativ două trilioane de ani, toate galaxiile dincolo de superclusterul nostru local vor fi atât de departe încât nu le putem vedea: dincolo de orizontul cosmic. Dacă materia întunecată ar înlocui gravitația, determinând creșterea în continuare a ratei de expansiune a universului, ar grăbi acea cronologie de două trilioane de ani. Dacă, pe de altă parte, gravitația ar prevala asupra energiei întunecate, tot ceea ce s-a extins în univers așa cum îl cunoaștem s-ar retrage într-o zi în sine într-un „Big Crunch”.

Din fericire, avem suficient timp să aflăm.