Problém kosmického věku - Cosmic age problem
Problém kosmického věku je historický problém v astronomii týkající se stáří vesmíru . Problém byl v tom, že v různých dobách 20. století se odhadovalo, že některé objekty ve vesmíru jsou starší než doba, která uplynula od Velkého třesku , jak se odhaduje z měření rychlosti rozpínání vesmíru známého jako Hubblova konstanta , označované H 0 . (Správněji se tomu říká Hubbleův parametr, protože se obecně mění s časem). Pokud ano, představovalo by to rozpor, protože objekty jako galaxie, hvězdy a planety nemohly existovat v extrémních teplotách a hustotách krátce po Velkém třesku.
Kolem roku 1997–2003 se domníváme, že tento problém vyřešila většina kosmologů: moderní kosmologická měření vedou k přesnému odhadu stáří vesmíru (tj. Času od Velkého třesku) na 13,8 miliardy let a nedávných odhadů stáří pro nejstarší objekty jsou buď mladší, nebo konzistentní, což umožňuje nejistotu měření.
Raná léta
Následující teoretické vývoje v Friedmann rovnic od Alexander Friedmann a Georges Lemaître v roce 1920, a objev expandujícího vesmíru Edwin Hubble v roce 1929, to bylo okamžitě jasné, že sledování této expanze zpět v čase předpovídá, že vesmír měl téměř nulovou velikost při konečný čas v minulosti. Tento koncept, původně známý jako „pravěký atom“ od Lemaitra, byl později rozpracován do moderní teorie velkého třesku . Pokud se vesmír v minulosti rozpínal konstantní rychlostí, věk vesmíru nyní (tj. Doba od Velkého třesku) je jednoduše inverzní k Hubbleově konstantě, často známé jako Hubbleův čas . U modelů Velkého třesku s nulovou kosmologickou konstantou a pozitivní hustotou hmoty musí být skutečný věk o něco mladší než tento Hubbleův čas; typicky by věk byl mezi 66% a 90% Hubbleova času, v závislosti na hustotě hmoty.
Hubbleův počáteční odhad jeho konstanty byl 550 (km/s)/Mpc a naopak je 1,8 miliardy let. Mnoho geologů, jako například Arthur Holmes, ve 20. letech 20. století věřilo , že Země je pravděpodobně stará více než 2 miliardy let, ale s velkou nejistotou. Možný rozpor mezi věky Země a vesmíru byl pravděpodobně jednou motivací pro rozvoj teorie ustáleného stavu v roce 1948 jako alternativy k velkému třesku; v (dnes již zastaralé) teorii ustáleného stavu je vesmír nekonečně starý a v průměru se s časem nemění. Teorie ustáleného stavu předpokládala spontánní tvorbu hmoty, aby udržovala průměrnou hustotu konstantní, jak se vesmír rozpíná, a proto většina galaxií má stále věk menší než 1/H 0 . Pokud by však H 0 bylo 550 (km/s)/Mpc, naše galaxie Mléčná dráha by byla ve srovnání s většinou ostatních galaxií výjimečně velká, takže by mohla být mnohem starší než průměrná galaxie, čímž by byl problém s věkem odstraněn.
1950–1970
V 50. letech 20. století byly v Hubbleově extragalaktickém měřítku vzdálenosti objeveny dvě podstatné chyby: poprvé v roce 1952 Walter Baade zjistil, že existují dvě třídy proměnné hvězdy Cepheid . Hubbleův vzorek zahrnoval různé třídy poblíž a v jiných galaxiích a oprava této chyby způsobila, že všechny ostatní galaxie byly dvakrát tak vzdálené než hodnoty HST, čímž se zdvojnásobil Hubbleův čas. Druhou chybu objevili Allan Sandage a spolupracovníci: u galaxií mimo místní skupinu byly cefeidy příliš slabé na to, aby je bylo možné pozorovat pomocí HST, takže Hubble použil jako ukazatele vzdálenosti nejjasnější hvězdy. Mnoho „nejjasnějších hvězd“ HST bylo ve skutečnosti HII oblastmi nebo hvězdokupami obsahujícími mnoho hvězd, což způsobilo další podcenění vzdáleností těchto vzdálenějších galaxií. V roce 1958 tedy Sandage publikoval první přiměřeně přesné měření Hubbleovy konstanty na 75 (km/s)/Mpc, což je blízko moderním odhadům 68–74 (km/s)/Mpc.
Věk Země (ve skutečnosti sluneční soustavy) byl poprvé přesně změřen kolem roku 1955 Clairem Pattersonem na 4,55 miliardy let, v podstatě shodný s moderní hodnotou. Pro H 0 ~ 75 (km/s)/Mpc je inverzní hodnota H 0 13,0 miliardy let; takže po roce 1958 byl věk modelu Big Bang pohodlně starší než Země.
V šedesátých letech minulého století však nový vývoj v teorii hvězdné evoluce umožnil odhady stáří pro velké hvězdokupy nazývané kulové hvězdokupy : ty obecně dávaly odhady stáří kolem 15 miliard let se značným rozptylem. Další revize Hubblovy konstanty Sandageem a Gustavem Tammannem v 70. letech 20. století dávaly hodnoty kolem 50–60 (km/s)/Mpc a převrácené hodnoty 16–20 miliard let, což odpovídá stáří kulových hvězdokup.
1975–1990
Koncem 70. až počátkem 90. let se však znovu objevil problém s věkem: nové odhady Hubblovy konstanty dávaly vyšší hodnoty, přičemž Gerard de Vaucouleurs odhadoval hodnoty 90–100 (km/s)/Mpc, zatímco Marc Aaronson a spol . pracovníci udávali hodnoty kolem 80-90 (km/s)/Mpc. Sandage a Tammann nadále argumentovali hodnotami 50–60, což vedlo k období kontroverzí, kterým se někdy také říká „Hubbleovy války“. Zdálo se, že vyšší hodnoty H 0 předpovídají vesmír mladší než věk kulových hvězdokup a v 80. letech 20. století způsobily určité spekulace, že model Velkého třesku byl vážně nesprávný.
Pozdní devadesátá léta: pravděpodobné řešení
Věkový problém byl nakonec považován za vyřešený několika vývojovými trendy v letech 1995 až 2003: za prvé, velký program s Hubbleovým vesmírným teleskopem měřil Hubblovu konstantu na 72 (km/s)/Mpc s 10procentní nejistotou. Za druhé, měření paralaxy od Hipparcos kosmických lodí v roce 1995 revidovány globulární shluk vzdálenosti směrem nahoru o 5-10 procent; díky tomu byly jejich hvězdy jasnější, než se dříve odhadovalo, a proto byly mladší, což posunulo jejich odhady stáří až na přibližně 12–13 miliard let. Konečně v letech 1998-2003 vedla řada nových kosmologických pozorování včetně supernov, pozorování kosmického mikrovlnného pozadí a velkých rudých posunů galaxií k přijetí temné energie a zavedení modelu Lambda-CDM jako standardního modelu kosmologie. Přítomnost temné energie naznačuje, že se vesmír rozpínal pomaleji přibližně v polovině svého současného věku než dnes, což činí vesmír starší pro danou hodnotu Hubbleovy konstanty. Kombinace tří výše uvedených výsledků v podstatě odstranila rozpor mezi odhadovaným věkem kulových hvězdokup a věkem vesmíru.
Novější měření z WMAP a kosmické lodi Planck vedou k odhadu stáří vesmíru na 13,80 miliardy let s pouhou 0,3procentní nejistotou (na základě standardního modelu Lambda-CDM ) a měření moderního věku pro kulové hvězdokupy a další objekty jsou aktuálně menší než tato hodnota (v rámci nejistot měření). Podstatná většina kosmologů se proto domnívá, že problém věku je nyní vyřešen.
Nový výzkum týmů, včetně jednoho vedeného nositelem Nobelovy ceny Adamem Riessem z Space Telescope Science Institute v Baltimoru, zjistil, že vesmír je starý 12,5 až 13 miliard let, což nesouhlasí s Planckovými nálezy. Zda to vyplývá pouze z chyb při shromažďování dat, nebo souvisí s dosud nevysvětlenými aspekty fyziky, jako je temná energie nebo temná hmota, musí být ještě potvrzeno.