Сколько на самом деле лет Вселенной? Как древние звезды чуть не оказались старше Большого взрыва
Современная астрофизика застряла в состоянии глубокого концептуального кризиса. Проблема заключается в одном базовом параметре, который определяет всю историю, физику и геометрию нашего мира — скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла. Ученые умеют измерять эту скорость с поразительной точностью, но результаты зависят от того, в какую часть космоса они смотрят.
Если изучать реликтовое излучение — самое раннее эхо Большого взрыва, — математические модели показывают, что Вселенная расширяется относительно медленно. При такой скорости нашему миру должно быть около 13,8 миллиарда лет. Эту цифру подтверждают данные космической обсерватории Planck.
Однако если измерять скорость разлета относительно близких к нам галактик, ориентируясь на вспышки сверхновых звезд и пульсацию особых светил (цефеид), результат получается иным. В современной Вселенной пространство расширяется заметно быстрее. И если отмотать это быстрое расширение назад во времени, окажется, что Большой взрыв произошел всего 12,9 миллиарда лет назад. Эту модель отстаивает команда нобелевского лауреата Адама Рисса.
Разница почти в миллиард лет не может быть ошибкой приборов. Оба метода опираются на безупречные физические данные. Это противоречие получило название «Хаббловское напряжение». Оно означает, что-либо мы фундаментально не понимаем природу гравитации и темной энергии, либо в наших измерениях кроется систематическая ошибка, которую пока никто не нашел.
Чтобы разорвать этот замкнутый круг, международная группа астрономов предложила совершенно иной подход. Вместо того чтобы вычислять скорость расширения пустого пространства, они решили измерить физический возраст самых старых объектов внутри этого пространства — древних звезд нашей собственной галактики. Логика предельно простая: Вселенная физически не может быть моложе звезд, которые в ней существуют. Если ученым удастся найти звезду старше 12,9 миллиарда лет и безошибочно доказать ее возраст, модель «молодой и быстро расширяющейся» Вселенной будет опровергнута.
Как вычислить возраст звезды
Проблема астрономии в том, что на звездах не написан их возраст. Химический состав может дать лишь общую картину: чем меньше в звезде тяжелых элементов (металлов), тем раньше она сформировалась. Но для точных космологических выводов этого недостаточно. Нам нужен конкретный возраст с минимальной погрешностью.
Для этой задачи исследователи обратились к конкретному этапу звездной эволюции. Большую часть своей жизни звезда, похожая на Солнце, сжигает водород в своем ядре, превращая его в гелий. Этот процесс стабилен и занимает миллиарды лет. Но в определенный момент водородное топливо в центре заканчивается. Звезда начинает перестраиваться: ее ядро сжимается, а внешние оболочки, напротив, сильно расширяются и остывают. Звезда сходит с так называемой «главной последовательности» и начинает превращаться в субгигант.
Для астрофизиков этот короткий переходный период представляет большую ценность. Дело в том, что масса звезды жестко определяет скорость, с которой она расходует топливо. Массивные звезды сгорают быстро, легкие тлеют миллиарды лет. Если поймать звезду ровно в тот момент, когда она исчерпала водород в ядре, и точно измерить ее текущую температуру, светимость и массу, можно рассчитать время ее жизни с помощью законов термодинамики. Ученые накладывают наблюдаемые данные на теоретические сетки эволюции (изохроны) и получают возраст объекта.
Благодаря европейскому космическому телескопу Gaia, который с высокой точностью измерил расстояния до сотен миллионов звезд Млечного Пути, исследователи получили возможность определять истинную светимость объектов. Зная точное расстояние, мы знаем, сколько именно энергии излучает звезда, что критически важно для расчетов.
Жесткая фильтрация данных
Анализ начался с огромного массива данных. Ученые загрузили параметры 200 000 звезд, находящихся на стадии перехода в субгиганты, в сложный байесовский алгоритм StarHorse. Задача алгоритма — сопоставить спектральные данные, температуры и гравитацию на поверхности звезд с физическими моделями эволюции.
Но получить математический результат — мало. В космосе слишком много факторов могут исказить данные, заставив звезду казаться старше или моложе, чем она есть на самом деле. Чтобы результаты исследования имели вес в космологическом споре, авторам пришлось провести жесткую отбраковку данных.
Во-первых, из 200 000 объектов оставили только те, чей расчетный возраст превышал 12,5 миллиарда лет, а погрешность вычислений составляла менее одного миллиарда лет. Это сократило выборку до 3000 звезд.
Во-вторых, исследователи начали методично удалять объекты, подверженные физическим аномалиям. Самая частая проблема — невидимые двойные системы. Если две звезды вращаются очень близко друг к другу, в телескопе они сливаются в одну точку. Их суммарная светимость сбивает алгоритмы с толку, искажая расчеты массы и, соответственно, возраста. Также были исключены звезды, которые в прошлом могли потерять часть своей массы из-за гравитационного влияния соседей.
В-третьих, был введен строгий химический контроль. Скорость реакций внутри звезды сильно зависит от ее состава. Если первичные данные о химическом составе (металличности) не совпадали с тем, что предсказывала теоретическая модель на выходе, звезду удаляли из списка. Алгоритм искал только те объекты, где теория идеально совпадала с наблюдениями.
Наконец, ученые проанализировали статистическое распределение вероятности возраста для каждой оставшейся звезды. Если график выдавал асимметрию или вероятность распадалась на два пика (что означает, что алгоритм сомневается между двумя разными решениями), данные браковались. В финале авторы вручную проверили графики оставшихся кандидатов.
После всех этапов очистки от 200 000 первоначальных звезд осталось всего 160 объектов. Это малая, но абсолютно надежная выборка. Это старейшие, наиболее изученные и математически безупречные звезды, известные современной науке.
Абсолютный предел времени
Когда астрофизики построили распределение возрастов для этой группы из 160 звезд, они получили четкий пик на отметке 13,6 миллиарда лет. Статистическая погрешность составила всего около миллиарда лет, при этом подавляющее большинство объектов указывало на возраст свыше 13 миллиардов лет.
Но чтобы перевести возраст звезд в возраст Вселенной, нужно учесть еще один физический факт. Сразу после Большого взрыва звезд не существовало. Вселенная представляла собой расширяющееся облако раскаленной плазмы. Потребовалось время, чтобы пространство расширилось, плазма остыла, образовались первые атомы водорода и гелия, и гравитация смогла стянуть их в плотные газовые облака, внутри которых вспыхнули первые термоядерные реакции.
Согласно лучшим современным моделям звездообразования и данным наблюдений самых далеких галактик телескопом Джеймса Уэбба, этот первоначальный этап формирования Вселенной занял как минимум 200 миллионов лет. Это минимальная, самая консервативная оценка задержки.
Складывая 13,6 миллиарда лет прямого звездного возраста и 200 миллионов лет времени формирования, исследователи получают жесткую нижнюю границу возраста мироздания: 13,8 миллиарда лет. При этом 70 звезд из итоговой выборки с 90-процентной статистической уверенностью указывают, что возраст Вселенной строго больше 13 миллиардов лет.
Удар по модели быстрого расширения
Расчеты, полученные путем изучения старейших звезд Млечного Пути, полностью согласуются с данными по реликтовому излучению ранней Вселенной (13,8 млрд лет).
В то же время они делают модель поздней, быстро расширяющейся Вселенной (12,9 млрд лет) физически невозможной. Чтобы Вселенной было 12,9 миллиарда лет, возраст обнаруженных звезд должен быть существенно снижен. Однако в рамках современной звездной физики для этого нет оснований. Чтобы «омолодить» выборку на миллиард лет, ученым пришлось бы взять каждую возможную систематическую ошибку в компьютерных моделях и выкрутить ее на самый минимум. Более того, многие альтернативные подходы к моделированию (например, изменение параметров конвекции газа внутри звезды) приводят к тому, что возраст этих объектов увеличивается еще на миллиард лет, а не уменьшается.
Новое исследование не отвечает на вопрос, почему наблюдение за сверхновыми выдает другие скорости расширения космоса. Возможно, нам придется пересмотреть методы калибровки этих наблюдений, или мы обнаружим, что наша часть Вселенной обладает уникальными гравитационными свойствами.
Однако главное достижение этой работы заключается в смене парадигмы космологических измерений. Астрофизикам удалось найти прямое, физическое доказательство возраста Вселенной, не зависящее от сложных расчетов расширения пространства. Тщательно отобранные, древнейшие звезды Млечного Пути выступают надежным хронометром, устанавливая жесткий предел, который будущим космологическим теориям придется учитывать. Независимо от того, как именно ведет себя темная энергия, Вселенная не может существовать меньше времени, чем горят ее старейшие звезды. И этот срок составляет 13,8 миллиарда лет.
Источник:Astronomy & Astrophysics