Età dell'universo - Age of the universe

Nella cosmologia fisica , l' età dell'universo è il tempo trascorso dal Big Bang . Oggi gli astronomi hanno ricavato due diverse misurazioni dell'età dell'universo : una misurazione basata su osservazioni dirette di uno stato primitivo dell'universo, che indicano un'età di13.772 ± 0,040 miliardi di anni all'interno del modello di concordanza Lambda-CDM partire dal 2018; e una misurazione basata sulle osservazioni dell'universo locale e moderno che suggeriscono un'età più giovane. L' incertezza del primo tipo di misurazione è stata ridotta a 20 milioni di anni, sulla base di una serie di studi che hanno fornito cifre estremamente simili per l'età. Questi includono studi sulla radiazione di fondo a microonde da parte del veicolo spaziale Planck , della sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe e di altre sonde spaziali. Le misurazioni della radiazione cosmica di fondo danno il tempo di raffreddamento dell'universo dal Big Bang e le misurazioni del tasso di espansione dell'universo possono essere utilizzate per calcolare la sua età approssimativa estrapolandola a ritroso nel tempo. L'intervallo della stima rientra anche nell'intervallo della stima per la stella osservata più antica nell'universo.

Spiegazione

Il modello di concordanza Lambda-CDM descrive l'evoluzione dell'universo da uno stato primordiale molto uniforme, caldo e denso al suo stato attuale in un arco di circa 13,77 miliardi di anni di tempo cosmologico . Questo modello è ben compreso teoricamente e fortemente supportato da recenti osservazioni astronomiche ad alta precisione come WMAP . Al contrario, le teorie sull'origine dello stato primordiale rimangono molto speculative. Se si estrapola il modello Lambda-CDM all'indietro dal primo stato ben compreso, esso raggiunge rapidamente (in una piccola frazione di secondo) una singolarità . Questo è noto come " singolarità iniziale " o " singolarità del Big Bang ". Questa singolarità non è intesa come avente un significato fisico nel senso comune, ma è conveniente citare i tempi misurati "dal Big Bang" anche se non corrispondono a un tempo fisicamente misurabile. Ad esempio, "10 -6 secondi dopo il Big Bang" è un'era ben definita nell'evoluzione dell'universo. Se ci si riferisse alla stessa era come "13,77 miliardi di anni meno 10 -6 secondi fa", la precisione del significato andrebbe persa perché il minuscolo intervallo di tempo dell'ultimo è eclissato dall'incertezza nel primo.

Sebbene l'universo possa in teoria avere una storia più lunga, l' Unione Astronomica Internazionale attualmente usa il termine "età dell'universo" per indicare la durata dell'espansione Lambda-CDM, o equivalentemente il tempo trascorso dal Big Bang nell'attuale universo osservabile .

Limiti osservativi

Poiché l'universo deve essere antico almeno quanto le cose più antiche in esso contenute, ci sono un certo numero di osservazioni che pongono un limite inferiore all'età dell'universo; questi includono la temperatura delle nane bianche più fredde , che gradualmente si raffreddano con l'età, e il punto di svolta più debole delle stelle della sequenza principale negli ammassi (le stelle di massa inferiore trascorrono una maggiore quantità di tempo sulla sequenza principale, quindi le stelle di massa più bassa che si sono evolute dalla sequenza principale fissano un'età minima).

Parametri cosmologici

L'età dell'universo può essere determinata misurando oggi la costante di Hubble ed estrapolandola indietro nel tempo con il valore osservato dei parametri di densità (Ω). Prima della scoperta dell'energia oscura , si credeva che l'universo fosse dominato dalla materia ( universo di Einstein-de Sitter , curva verde). Nota che l' universo di de Sitter ha un'età infinita, mentre l' universo chiuso ha l'età minima.
Il valore del fattore di correzione dell'età, F , è mostrato in funzione di due parametri cosmologici : l'attuale densità di materia frazionaria Ω m e la densità della costante cosmologica Ω Λ . I valori best-fit di questi parametri sono mostrati dal riquadro in alto a sinistra; l'universo dominato dalla materia è mostrato dalla stella in basso a destra.

Il problema della determinazione dell'età dell'universo è strettamente legato al problema della determinazione dei valori dei parametri cosmologici. Oggi questo è ampiamente svolto nel contesto del modello ΛCDM , in cui si presume che l'universo contenga materia normale (barionica), materia oscura fredda , radiazione (inclusi sia fotoni che neutrini ) e una costante cosmologica . Il contributo frazionario di ciascuno all'attuale densità di energia dell'universo è dato dai parametri di densità Ω m , Ω r e Ω Λ . Il modello ΛCDM completo è descritto da una serie di altri parametri, ma ai fini del calcolo della sua età questi tre, insieme al parametro Hubble , sono i più importanti.

Se si dispone di misurazioni accurate di questi parametri, l'età dell'universo può essere determinata utilizzando l' equazione di Friedmann . Questa equazione mette in relazione la velocità di variazione del fattore di scala a ( t ) con il contenuto di materia dell'universo. Capovolgendo questa relazione, possiamo calcolare la variazione del tempo per variazione del fattore di scala e quindi calcolare l'età totale dell'universo integrando questa formula. L'età t 0 è quindi data da un'espressione della forma

dove è il parametro di Hubble e la funzione F dipende solo dal contributo frazionario al contenuto energetico dell'universo che proviene dai vari componenti. La prima osservazione che si può fare da questa formula è che è il parametro di Hubble a controllare quell'età dell'universo, con una correzione che deriva dal contenuto di materia ed energia. Quindi una stima approssimativa dell'età dell'universo viene dal tempo di Hubble , l'inverso del parametro di Hubble. Con un valore per circa69 km/s/Mpc , il tempo di Hubble risulta =14,5 miliardi di anni.

Per ottenere un numero più accurato, è necessario calcolare il fattore di correzione F. In generale questo deve essere fatto numericamente e i risultati per una gamma di valori di parametri cosmologici sono mostrati nella figura. Per i valori di Planckm , Ω Λ ) = (0,3086, 0,6914), indicati dal riquadro nell'angolo in alto a sinistra della figura, questo fattore di correzione è di circa F = 0,956. Per un universo piatto senza alcuna costante cosmologica, mostrato dalla stella nell'angolo in basso a destra, F = 23 è molto più piccolo e quindi l'universo è più giovane per un valore fisso del parametro di Hubble. Per fare questa cifra, r è mantenuto costante (più o meno equivalente a mantenere costante la temperatura CMB ) e il parametro della densità di curvatura è fissato dal valore degli altri tre.

A parte il satellite Planck, la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ( WMAP ) è stata determinante per stabilire un'età precisa dell'universo, sebbene altre misurazioni debbano essere integrate per ottenere un numero accurato. Le misurazioni CMB sono molto efficaci nel vincolare il contenuto di materia Ω me il parametro di curvatura Ω k . Non è così sensibile a Ω Λ direttamente, in parte perché la costante cosmologica diventa importante solo a basso redshift. Le determinazioni più accurate del parametro di Hubble H 0 provengono dalle supernove di tipo Ia . La combinazione di queste misurazioni porta al valore generalmente accettato per l'età dell'universo citato sopra.

La costante cosmologica rende l'universo "più vecchio" per valori fissi degli altri parametri. Questo è significativo, poiché prima che la costante cosmologica diventasse generalmente accettata, il modello del Big Bang aveva difficoltà a spiegare perché gli ammassi globulari nella Via Lattea sembravano essere molto più antichi dell'età dell'universo calcolata dal parametro di Hubble e un universo di sola materia . L'introduzione della costante cosmologica consente all'universo di essere più antico di questi ammassi, oltre a spiegare altre caratteristiche che il modello cosmologico di sola materia non potrebbe.

WMAP

NASA 's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) del progetto di rilascio dei dati di nove anni nel 2012 ha stimato l'età dell'universo per essere(13,772 ± 0,059) × 10 9 anni (13,772 miliardi di anni, con un'incertezza di più o meno 59 milioni di anni).

Tuttavia, questa età si basa sul presupposto che il modello sottostante al progetto sia corretto; altri metodi per stimare l'età dell'universo potrebbero dare età diverse. L'assunzione di uno sfondo aggiuntivo di particelle relativistiche, ad esempio, può ingrandire le barre di errore del vincolo WMAP di un ordine di grandezza.

Questa misurazione viene effettuata utilizzando la posizione del primo picco acustico nello spettro di potenza di fondo delle microonde per determinare la dimensione della superficie di disaccoppiamento (dimensione dell'universo al momento della ricombinazione). Il tempo di viaggio della luce su questa superficie (a seconda della geometria utilizzata) fornisce un'età affidabile per l'universo. Assumendo la validità dei modelli utilizzati per determinare questa età, l'accuratezza residua produce un margine di errore vicino all'uno per cento.

Planck

Nel 2015, la collaborazione Planck ha stimato che l'età dell'universo fosse13,813 ± 0,038 miliardi di anni, leggermente superiore ma entro le incertezze del numero precedente derivato dai dati WMAP.

Nella tabella seguente, i dati rientrano nei limiti di confidenza del 68% per il modello ΛCDM di base .

Leggenda:

Parametri cosmologici dai risultati Planck 2015
Parametro Simbolo TT+P basso TT+lowP
+lente
TT+lowP
+lente+est
TT,TE,EE+lowP TT,TE,EE+lowP
+lente
TT,TE,EE+lowP
+lente+est
Età dell'universo
(Ga)
13,813 ± 0,038 13,799 ± 0,038 13,796 ± 0,029 13,813 ± 0,026 13,807 ± 0,026 13,799 ± 0,021
Costante di Hubble
( kmMpc⋅s )
67,31 ± 0,96 67,81 ± 0,92 67,90 ± 0,55 67,27 ± 0,66 67,51 ± 0,64 67,74 ± 0,46

Nel 2018, la collaborazione Planck ha aggiornato la sua stima per l'età dell'universo a 13.772 ± 0,040 miliardi di anni.

Assunzione di forti priori

Il calcolo dell'età dell'universo è accurato solo se sono accurate anche le ipotesi incorporate nei modelli utilizzati per stimarlo. Questo è indicato come priori forti e consiste essenzialmente nell'eliminare i potenziali errori in altre parti del modello per rendere l'accuratezza dei dati osservativi effettivi direttamente nel risultato concluso. Sebbene questa non sia una procedura valida in tutti i contesti (come notato nell'avvertenza di accompagnamento: "basato sul fatto che abbiamo assunto che il modello sottostante che abbiamo usato sia corretto"), l'età data è quindi accurata per l'errore specificato (poiché questo errore rappresenta l'errore nello strumento utilizzato per raccogliere i dati grezzi inseriti nel modello).

L'età dell'universo basata solo sul miglior adattamento ai dati di Planck 2018 è13.772 ± 0,040 miliardi di anni. Questo numero rappresenta un'accurata misurazione "diretta" dell'età dell'universo (altri metodi implicano tipicamente la legge di Hubble e l'età delle stelle più antiche negli ammassi globulari , ecc.). È possibile utilizzare metodi diversi per determinare lo stesso parametro (in questo caso - l'età dell'universo) e arrivare a risposte diverse senza sovrapposizioni negli "errori". Per evitare al meglio il problema, è comune mostrare due serie di incertezze; uno relativo alla misurazione effettiva e l'altro relativo agli errori sistematici del modello utilizzato.

Una componente importante per l'analisi dei dati utilizzati per determinare l'età dell'universo (es. da Planck ) è quindi quella di utilizzare un'analisi statistica bayesiana , che normalizzi i risultati sulla base dei priors (cioè il modello). Ciò quantifica qualsiasi incertezza nell'accuratezza di una misurazione dovuta a un particolare modello utilizzato.

Storia

Nel 18° secolo iniziò ad apparire il concetto che l' età della Terra fosse di milioni, se non miliardi, di anni. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati nel corso del 19° secolo e nei primi decenni del 20° secolo presumeva che l'universo stesso fosse uno stato stazionario ed eterno, possibilmente con stelle che andavano e venivano ma nessun cambiamento che si verificava alla più grande scala conosciuta all'epoca.

Le prime teorie scientifiche che indicano che l'età dell'universo potrebbe essere finita furono gli studi di termodinamica , formalizzati a metà del XIX secolo. Il concetto di entropia impone che se l'universo (o qualsiasi altro sistema chiuso) fosse infinitamente vecchio, allora tutto all'interno sarebbe alla stessa temperatura, e quindi non ci sarebbero né stelle né vita. All'epoca non fu fornita alcuna spiegazione scientifica per questa contraddizione.

Nel 1915 Albert Einstein pubblicò la teoria della relatività generale e nel 1917 costruì il primo modello cosmologico basato sulla sua teoria. Per rimanere coerente con un universo in stato stazionario, Einstein aggiunse alle sue equazioni quella che in seguito fu chiamata una costante cosmologica . Il modello di Einstein di un universo statico è stato dimostrato instabile da Arthur Eddington .

Il primo indizio osservativo diretto che l'universo non fosse statico ma in espansione venne dalle osservazioni delle " velocità di recessione ", per lo più di Vesto Slipher , combinate con le distanze dalle " nebulose " ( galassie ) di Edwin Hubble in un lavoro pubblicato nel 1929. nel XX secolo, Hubble e altri hanno risolto singole stelle all'interno di alcune nebulose, determinando così che si trattava di galassie, simili, ma esterne alla nostra Via Lattea . Inoltre, queste galassie erano molto grandi e molto lontane. Gli spettri prelevati da queste galassie lontane hanno mostrato uno spostamento verso il rosso nelle loro linee spettrali presumibilmente causato dall'effetto Doppler , indicando così che queste galassie si stavano allontanando dalla Terra. Inoltre, più queste galassie sembravano essere lontane (più deboli ci apparivano) maggiore era il loro redshift, e quindi più velocemente sembravano allontanarsi. Questa è stata la prima prova diretta che l'universo non è statico ma in espansione. La prima stima dell'età dell'universo è venuta dal calcolo di quando tutti gli oggetti devono aver iniziato ad accelerare dallo stesso punto. Il valore iniziale di Hubble per l'età dell'universo era molto basso, poiché si presumeva che le galassie fossero molto più vicine di quanto rilevassero osservazioni successive.

La prima misurazione ragionevolmente accurata del tasso di espansione dell'universo, un valore numerico ora noto come costante di Hubble , fu fatta nel 1958 dall'astronomo Allan Sandage . Il suo valore misurato per la costante di Hubble si è avvicinato molto all'intervallo di valori generalmente accettato oggi.

Tuttavia Sandage, come Einstein, non credeva ai propri risultati al momento della scoperta. Sandage ha proposto nuove teorie della cosmogonia per spiegare questa discrepanza. Questo problema è stato più o meno risolto dai miglioramenti nei modelli teorici utilizzati per stimare l'età delle stelle. A partire dal 2013, utilizzando gli ultimi modelli per l'evoluzione stellare, l'età stimata della stella più antica conosciuta è14,46 ± 0,8 miliardi di anni.

La scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde annunciata nel 1965 ha finalmente posto fine alla restante incertezza scientifica sull'universo in espansione. È stato un risultato casuale del lavoro di due squadre a meno di 60 miglia di distanza. Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson stavano cercando di rilevare gli echi delle onde radio con un'antenna supersensibile. L'antenna ha rilevato costantemente un rumore basso, costante e misterioso nella regione delle microonde che era uniformemente diffuso nel cielo ed era presente giorno e notte. Dopo i test, sono stati certi che il segnale non proveniva dalla Terra , dal Sole o dalla nostra galassia , ma dall'esterno della nostra galassia, ma non riusciva a spiegarlo. Allo stesso tempo, un altro team, Robert H. Dicke , Jim Peebles e David Wilkinson , stavano tentando di rilevare il rumore di basso livello che potrebbe essere rimasto dal Big Bang e potrebbe dimostrare se la teoria del Big Bang era corretta. Le due squadre si resero conto che il rumore rilevato era in realtà una radiazione residua del Big Bang e che questa era una forte prova che la teoria era corretta. Da allora, una grande quantità di altre prove ha rafforzato e confermato questa conclusione e ha affinato l'età stimata dell'universo alla sua cifra attuale.

Le sonde spaziali WMAP, lanciate nel 2001, e Planck , lanciate nel 2009, hanno prodotto dati che determinano la costante di Hubble e l'età dell'universo indipendentemente dalle distanze delle galassie, rimuovendo la più grande fonte di errore.

Guarda anche

Riferimenti

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