سن جهان

در کیهان‌شناسی فیزیکی، سن جهان هستی میزان زمان سپری شده پس از مهبانگ (یا انفجار بزرگ) است که گمان می‌رود لحظه آغاز پیدایش جهان است. بنابر دقیقترین اندازه‌گیری انجام شده توسط ماهواره پلانک، سن جهان بر پایه مدل لامبدا-سی دی‌ام در حدود ۰٫۰۳۷±۱۳٫۷۹۸ میلیارد سال ( سال یا ثانیه) برآورد شده‌است.
میزان عدم قطعیت این عدد ۳۷ میلیون سال(۰٫۰۳۷ میلیارد سال) است که با تطبیق نتایج چندین پروژه تحقیقاتی علمی از جمله اندازه‌گیری‌های تابش زمینه کیهانی توسط ماهواره پلانک یا کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون و موردهای دیگر تعیین شده‌است. با استفاده از اندازه‌گیری تابش زمینه کیهانی می‌توان زمان سرد شدن این تابش از لحظه مهبانگ تا کنون، و با اندازه‌گیری نرخ انبساط جهان و برونیابی به عقب در زمان می‌توان سن جهان را محاسبه نمود.
توضیح
مدل تطبیقی لامبدا-سی‌دی‌ام تکامل جهان از وضعیت بسیار داغ، متراکم و یکنواخت اولیه تا وضعیت کنونی آن در بازه‌ای به طول ۱۳٫۸ میلیارد سال را توصیف می‌کند.
این مدل از لحاظ نظری به خوبی فهمیده شده و مشاهدات نجومی دقیقی مانند دبلیومپ نیز آن را تایید می‌کنند. اما نظریات مربوط به سرآغاز و پیدایش حالت اولیه در حد گمانه‌زنی باقی‌مانده‌اند. اگر با استفاده از مدل لامبدا-سی‌دی‌ام به سوی گذشته برون‌یابی کنیم در لحظه اولیه جهان به یک نقطه تکینگی می‌رسیم.
اگرچه از لحاظ نظری جهان ممکن است تاریخی طولانی‌تر از این داشته باشد، اتحادیه بین‌المللی اخترشناسی
از واژه «سن جهان» برای به اشاره به مدت زمان انبساط لامبدا-سی‌دی‌ام یا به عبارت دیگر زمان سپری شده پس از مه‌بانگ در جهان قابل مشاهده، استفاده می‌کند.
پارامترهای کیهانی
ثابت هابل و برون‌یابی به عقب در زمان و با داشتن مقادیر مشاهده‌شده برای پارامترهای چگالی () محاسبه نمود. پیش از کشف انرژی تاریک اینگونه پنداشته می‌شد که جهان تنها در تسلط ماده است و در نتیجه  روی نمودار همان  m در نظر گرفته می‌شد. توجه کنید که جهان شتاب‌دار بیشترین سن را دارد، در حالیکه جهان منتهی به مه‌رمب کمترین سن را داراست.
کیهان‌شناسی نمایش داده‌شده‌است: چگالی نسبی کنونی ماده  m و چگالی ثابت کیهانی   . دقیقترین مقادیر برای این پارامترها با مربع کوچکی روی نمودار در قسمت چپ-بالای شکل، و مقادیرشان برای جهان در تسلط ماده توسط ستاره‌ای در قسمت پایین-راست شکل مشخص گردیده‌است .
مسئله تعیین سن جهان ارتباط تنگاتنگی با مسئله تعیین اندازه‌های پارامترهای کیهانشناسی دارد. امروزه اغلب این کار از طریق مدل لامبدا-سی‌دی‌ام انجام می‌پذیرد که در آن چنین پنداشته می‌شود که جهان از ماده باریونی (ماده معمولی)، ماده تاریک، تابش (شامل فوتون‌ها و نوترینوها) و یک ثابت کیهان‌شناسی تشکیل می‌شود. سهم جزیی هر یک از اینها در چگالی انرژی کل جهان با پارامترهای چگالی  m ،  r ، و   نمایش داده می‌شود. برای توصیف مدل کامل لامبدا-سی‌دی‌ام به چند پارامتر دیگر نیز نیاز است اما برای محاسبه سن جهان این پارامترها به همراه پارامتر هابل اهمیت بیشتری دارند.
با دردست‌داشتن اندازه‌های دقیق این پارامترها می‌توان با استفاده از معادلات فریدمان سن جهان را محاسبه نمود. این معادله نرخ تغییرات فاکتور مقیاس a(t را با محتوای ماده جهان مرتبط می‌سازد. با معکوس کردن این رابطه می‌توان نرخ تغییرات زمان بر حسب تغییرات فاکتور مقیاس را محاسبه نمود و با انتگرال‌گیری از آن سن جهان را محاسبه نمود. از این راه سن t 0 جهان از طریق عبارتی به شکل زیر به دست می‌آید،
که در آن پارامتر هابل است و تابع F تنها به سهم جزیی اجزای تشکیل دهنده محتوای انرژی جهان بستگی دارد. نخستین برداشتی که ممکن است از این رابطه به ذهن برسد این است که سن جهان تا حدود زیادی توسط پارامتر هابل تعیین می‌شود و محتوای ماده و انرژی جهان اندکی مقدار آن را اصلاح می‌کند، بنابراین با استفاده از پارامتر هابل می‌توان با تقریب سن جهان را تخمین زد. سن جهان تقریبا با معکوس پارامتر هابل (که زمان هابل نیز نامیده می‌شود) برابر است. مقدار برابر با است و در نتیجه سن تقریبی جهان از این راه در حدود = میلیارد سال تخمین زده می‌شود.
برای به‌دست‌آوردن مقدار دقیقتر سن جهان باید فاکتوراصلاح F محاسبه شود. این کار به طور عمومی از طریق روش‌های عددی انجام می‌پذیرد و نتیجه آن برای محدوده‌ای از اندازه‌های پاراکترهای کیهان‌شناسی در شکل نشان داده شده‌است. برای اندازه‌های پلانک ( m ,   ) = (۰٫۳۰۸۶، ۰٫۶۹۱۴) که با مربع کوچکی در قسمت بالای سمت چپ مشخص گردیده، مقدار F برابر ۰٫۹۵۶ است. برای یک جهان تخت بدون ثابت کیهانی که روی نمودار با یک ستاره کوچک در گوشه پایین راست نشان داده شده، F = . یعنی برای یک مقدار ثابت پارامتر هابل، جهان تخت بدون ثابت کیهانی سن کمتری دارد. برای محاسبه این مقادیر  r ثابت در نظر گرفته شده است و این تقریبا معادل است با اینکه دمای تابش زمینه کیهانی را ثابت فرض کنیم.
علاوه بر ماهواره پلانک، از کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون (دبلیومپ) نیز در تعیین سن دقیق جهان مورد استفاده قرار گرفته‌است. اندازه‌گیری‌های تابش زمینه کیهانی برای تعیین محدوده مقدار محتوای مادی  m
و همچنین پارامتر خمش  k
بسیار سودمند است، هرچند که حساسیت چندانی به طور مستقیم به پارامتر ثابت کیهانی   نشان نمی‌دهد. دلیل این امر تا حدودی این است که ثابت کیهانی تنها در انتقال به سرخ‌های پایین اهمیت می‌یابد. دقیقترین محاسبات پارامتر هابل H 0 از رصدگری ابرنواخترهای نوع Ia به‌دست می‌آید. از ترکیب نتایج این اندازه‌گیری‌ها دقیقترین رقم پذیرفته‌شده برای سن جهان به‌دست می‌آید که پیشتر عنوان شد.
در صورت ثابت بودن دیگر پارامترها، ثابت کیهانی سن جهان را بیشتر می‌کند. این مسئله از این رو اهمیت دارد که تا پیش از اینکه ثابت کیهانی مورد پذیرش همگانی قرار گیرد، مدل مه‌بانگ در توضیح اینکه چرا سن خوشه‌های کروی در کهکشان راه شیری بیشتر از سن جهان به نظرمی‌رسد، ناتوان بود. سن جهان در آن زمان با استفاده از پارامتر هابل و بر پایه این پندار که جهان تنها از ماده تشکیل شده، محاسبه شده بود.
معرفی ثابت کیهانی باعث می‌شود که سن محاسبه شده برای جهان بیشتر از سن خوشه‌های کروی گردد و همچنین ویژگی‌های دیگری را نیز توضیح می‌دهد که مدل‌های صرفا مادی از توضیح آن ناتوانند.
دبلیومپ
بر پایه انتشار داده‌های ۹ ساله پروژه کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون (دبلیومپ) ناسا در سال ۲۰۱۲، سن جهان در حدود سال تخمین زده شد (۱۳٫۷۷۲ میلیارد سال با خطای بعلاوه یا منهای ۵۹ میلیون سال).
هرچند که این رقم برای سن جهان بر پایه این پندار محاسبه شده است که مدل‌هایی که پروژه بر آنها بنا شده، درست هستند. سایر روش‌ها برای تخمین سن جهان ممکن است نتایج متفاوتی تولید کنند.
ماهواره پلانک
در سال ۲۰۱۳، ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا سن جهان را ۱۳٫۸۲ میلیارد سال تخمین زد.
این رقم کمی از رقم اندازه‌گیری شده دبلیومپ بیشتر است اما به همان میزان (تقریبا ۱٪) عدم قطعیت دارد. با ترکیب داده‌های پلانک با داده‌های سایر ماموریت‌های فضایی بهترین تخمین ترکیبی از سن جهان «» می‌باشد.
+ پارامترهای کیهان‌شناسی از نتایج ۲۰۱۳ پلانک
پارامتر
نماد
پلانکبهترین تقریب
پلانک۶۸٪ حد
پلانک+همگراییبهترین تقریب
پلانک+همگرایی۶۸٪ حد
پلانک+دبلیومپبهترین تقریب
پلانک+دبلیومپ68% limits
پلانک+دبلیومپ+های‌البهترین تقریب
پلان+دبلیومپ+های‌ال۶۸٪ حد
پلانک+همگرایی+دبلیومپ+highLبهترین تقریب
پلانک+همگرایی+دبلیومپ+های‌ال۶۸٪ حد
پلانک+دبلیومپ+های‌ال+BAOبهترین تقریب
پلانک+دبلیومپ+های‌ال+نوسانات آکوستیک باریون۶۸٪ حد
سن جهان(Ga)
۱۳٫۸۱۹
۱۳٫۷۸۴
۱۳٫۸۲۴۲
۱۳٫۷۱۸۰
۱۳٫۷۹۱۴
۱۳٫۷۹۶۵
ثابت هابل()
۶۷٫۱۱
۶۸٫۱۴
۶۷٫۰۴
۶۷٫۱۵
۶۷٫۹۴
۶۷٫۷۷