天体物理学

宇宙的年龄

自大爆炸模型的发展以来,我们知道宇宙有一个年龄。卫星的宇宙学参数和观察结果有助于确定它。

Marc Lachieze-Rey scient for scient n°42
本文保留用于科学用户
Au début du XIX. e 世纪,两种宇宙模型占上风:根据Albert Einstein发布的第一个,宇宙关闭和静止;第二,由于荷兰天文学家威廉的保姆,规定宇宙是无限的,密度为零。

宇宙学在20世纪20年代和1930年遇到的基本革命反驳了这两种型号:宇宙正在扩大!事实上,自1922年以来,苏联亚历山大·弗里德曼为一般相对论的方程列出了描述扩大世界的方程。 1927年,这些解决方案由Georges Lemair独立重新发现,他与周末的“衰退速度”相关联,他们在前几世纪末观察到和误解。当时,天文学家表明,星系发出的光以红色转移,表明它们逃离。 Lemaître揭示了这些速度与星系的距离之间的线性关系。两年后,美国天文学家Edwin Hubble以前重新发现了同样的法律。从那时起,这种反映了宇宙扩张的“哈勃法”已成为所有宇宙学的基石。

一大家庭的模型

利曼理解,扩张意味着宇宙的演变,其一般相对性使得可以计算特征:因此,构建了一个在我们真正的宇宙中面对的宇宙模型。在许多可能的模型中,两类相反:大爆炸的模型,根据哪种宇宙扩张进行了持续时间完成,也就是说宇宙有一个年龄,注意到 tu ;由于无限持续时间,扩张发生的其他人。受我们将详细介绍的一些现实假设的影响,观察结果恳求年龄 tu 完成的。由于改进模型和观察,如探针的背景扩散,这个时代今天更好,更好地知道了 WMAP. 2003年。

模型的主要特征 大爆炸是由20世纪30年代的lemaître定义的。当时,巨大的爆炸不存在:它将在1960年由英国天体物理学家弗雷德霍伊尔·霍伊尔(The Hoyle)伪造,他不相信它并想要嘲笑它。这些模型有一个动荡的故事,因为他们的措辞直到20世纪60年代的科学界。在这个历史中,宇宙时代的概念发挥了重要作用。因此,在1929年,价值 tu 通过观察宇宙扩张的观察确定的少于20亿年。但我们认为大约六亿年的地球(今天认可的价值为45亿年)和明星,近千亿年!想象一下宇宙本身似乎困难的旧对象,我们了解了对大爆炸模型的时间不愿意。

这些结果显着错误,特别是由于灯光知识差和距离恒星的距离差。在必要的重新校准后,扩张提供了150亿岁的15岁。同时,天体物理学家了解星星的能源的核性,并正确估计了他们的年龄 (见图3) :新值恰逢估计 tu。因此,由于这种巧合,这是一个巧妙的确认,似乎是大爆炸模型的不可逾越的问题。

曾经宇宙扩张,大爆炸模型认可 出现来自我们物理的法律,包括一般相对性。例如,固定模型,曾经反对大爆炸模型 今天被遗弃,认为存在“持续创造物质”的过程,当然不是根据我们目前的物理学。

虽然它们分享了宇宙时代的想法 tu 完成后,大爆炸的模型形成了一个家庭,其成员以其价值的某些基本参数的价值观分类 tu 依靠。这些参数本质上是霍布尔常数,宇宙的平均密度,最后,宇宙常数。他们的决心,宇宙学家的基本任务是在轨道上。让我们来看看他们。

宇宙学设置

哈勃法说,对于任何宇宙对象,例如,星系,其速度与与我们分开的距离成比例。请注意,天体物理学家预计此法律平均验证,而不是对每个对象的核实。指出的比例系数是霍布尔常数,注意到 h它代表了宇宙的扩展速度。宇宙速度以数百公里的每秒衡量,宇宙长度在数百万条PARSEC中(一个Parsec为3.26轻的年): h0以每秒数百公里和百万的Parsec表示。这些单位难以处理,但霍布尔常数的倒数具有时间的尺寸:这个持续时间 th (égale à 1/h0),名为Hubble时间,表示宇宙扩展的特征时间标度。如果扩张既不放缓也不加快,宇宙的年龄 tu 会等于 th。无论如何,预计 tu 这个订单中的任何一个。

1929年,哈勃计算,从他的观察中计算出一个值 h0五个邻居(tu 然后等于大约20亿年),几乎与莱普尔几乎相同的价值,成立了两年。在上面提到的大爆炸模型的第一次不情愿是由这种错误的价值产生的。随后,天文学家重估 h0:今天,长期争议后的价值为0.7至宇宙时代近1395亿年,因为我们将看到。

假如 h0已知,一般相对论的方程表明 tu 基本上取决于宇宙扩张如何加速或减慢。这种行为由两个因素决定。第一个,注意到 Ωm,表示填充宇宙的材料的平均密度。第二是额外的常数,宇宙常数 Λ。后者是许多争议,过去和现在的主题 (请参阅第10页的框) : 而不是 L一些唤起异国情调的能量,包括效果 - 加速扩张 - 是类似的。我们不会在辩论中进入,我们将以符号表达这一贡献 Ωλ,不妨碍其性质,宇宙常数或异国情调的能量: tu 成为一个函数 Ωm , 的 ΩΛ 而且 th 我们可以从一般相对性的方程计算。

宇宙开始的物理学

由于探针最近观察宇宙漫射物质的观察 WMAP. (见图2),天体物理学家估计了他们推断出最佳评估的参数 tu 迄今为止:宇宙将拥有137亿年,不确定性为百分之两倍。

根据其定义,年龄 tu 自宇宙距离互相消除的那一刻以来已经过去了的时间,即扩展开始以来。然而,考虑到这样的时刻需要在过去的宇宙历史上,特别是根据大爆炸的模型。后者规定了这一时间越多,越多的物理条件偏离了今天:温度,密度和压力非常高。结果,超出了我们物理学的合法性,特别是普遍相对性,被超出:该补充的结束纯粹是虚构的。我们的宇宙学和模型的大爆炸 面对普朗克时间的限制,由我们的物理法律的有效性定义。方程式表明,在过去的时间对应于此持续时间 tu,任何宇宙长度应为零:物理研究的对象都不存在,也不存在于空间本身。

这个障碍在时间内缩短了一秒钟的时间,非常可忽略不计。这不会消除“宇宙年龄的概念”的相关性,但是,没有识别宇宙的开始或更差的“初始时刻”的“初始时刻”。甚至:它只是我们能够重构的宇宙历史的开始。在发生之前发生的事情,只要发生一些事情,仍然仍然是一个谜。

星星限制

我们已经看到宇宙学参数的值,也就是说,选择给定的宇宙学模型,可以估计 tu。相反,有关的任何信息 tu 导致对这些参数的值的约束。所以很长一段时间,我们最好的信息 tu 来自恒星年龄估计。例如,由于后者,我们已经消除了几十年前的模型在哪里 Ωm 等于一个(材料具有恰好宇宙膨胀速度恒定的临界密度)和在哪里 ΩΛ 等于零(宇宙常数为零)。

最强大的限制来自可以观察到的最“旧”对象,其年龄不能超过 tu :这些都是古老的明星。一颗星是通过气体凝聚而形成的,其中由天体物理学家的重质化学元素由一代以前的星级提供,这些元素在他们的心中。因此,较旧的气体,它含有金属的含量越少,导致它的恒星越少。在一颗恒星中的存在表明,前一天的几代前面已经前面,使最古老的明星 - 限制宇宙年龄最有趣 - 是金属中最贫穷的。他们位于银河系的球形光环中。

天体物理学家有三种用于约会的方法:核影学,白矮星冷却曲线和恒星演化模型。这些提供了今天最好的估计 tu.

核影学的原理与地球上进行的放射性约会的原理相同。我们衡量了一定的放射性核心,其半衰期的持续时间很长,即与股份的年龄的大小阶数兼容。然后我们将此数量与原始丰富的比较。

钍的半衰期为14.05亿年,铀,45亿多年。在非常差的金属星星中观察到的丰富,表明他们将大约140亿岁。然而,考虑到这两个理论的不确定性,特别是对于初始丰度,并且在观察中,通过这种方法确定宇宙年龄仍然不确定。

最好的措施

第二种方法基于白矮星的亮度,颗星的终极体育场的质量小于太阳的八倍。在他的生命结束时,白矮星冷却,变得越来越亮。据估计,他的年龄比较了他的冷却曲线,从其亮度的减少中推断出理论上的预测。然而,只能靠近这些恒星,非常明亮,可以通过足够的准确度来观察。获得的限制 tu 使用这种方法并不比上一个更好。尽管如此,由于空间望远镜的新观察,可能会改善它 哈勃 指向位于我们自己的星系的球状集群中的白色矮人,不再到光盘的集群中。实际上,光环的所有恒星,以及所在的球簇簇都比光盘更老。

最后,我们可以使用本届理论模型来确定恒星的年龄,今天,这是实现他们的演变。一颗星在一个名为主要序列的特征阶段花了很多生命,在此期间,他的心脏氢在氦气中稳定地转化 (在这个问题中看到Laurent Piau的文章)。通过在精确时刻观察恒星的亮度,当它完成这种核燃燃烧时,可以推断出其年龄。这种方法适用于地球簇的所有恒星,提供了对其年龄的最佳估计。尽管如此,它需要知道群集的偏差,这是绝对从未量化的数据。

近年来,理论模型得到了改进,包括包括广播参数并将内部材料的状态方程改善到星星。此外,由于恒星亮度的新校准,例如使用卫星获得的校准 河马 和空间望远镜 哈勃 ,我们重新评估群集的距离。最终,最佳估计为最古老的集群提供约126亿年的价值。

推断 tu在观察到的集群外观之前,有必要添加到这些年龄段的时间在宇宙中经过的时间。唉,后者众所周知。根据模型,第一颗星的持续时间没有金属,在0.8到20亿年之间变化。事实上,随着宇宙学结果测量的球状簇老年的比较可能会给这个持续时间的最佳估计。这种方法归因于宇宙的平均年龄为134亿年,下限为112亿年。

我们有两种独立的方法来估计宇宙的年龄。宇宙学测试的第一个结果,即直接探索时空的几何形状 (见图4) 检查超胃部样品或宇宙漫射物质的性质 (见图2)。第二个包括估计最古老的已知物体的年龄,球簇。这两种方法的结果,今天可比较的精确度是一致的。本协议,更有支持大爆炸的争论,进一步验证了宇宙年龄的概念,为可测量的物理量。

无论我们是否能够以百分之几的精确度估计宇宙学参数,而且,根据几种不同的方法,似乎似乎超过十年前!精确宇宙学的时代已经开始了!

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