Najstarsze gwiazdy potwierdzają wiek Wszechświata

Ile lat ma Wszechświat, skoro nie ma metryki urodzenia? Zespół brytyjskich astronomów znalazł odpowiedź, sięgając po jego najstarszych mieszkańców – ponad sto pięćdziesiąt tysięcy prastarych gwiazd rozsianych po Drodze Mlecznej. Wyniki, opublikowane na łamach arXiv na początku lipca, są dobrą wiadomością dla standardowego modelu kosmologicznego i stawiają pod znakiem zapytania jedno z popularnych wyjaśnień słynnego napięcia Hubble’a.

Gromada kulista Omega Centauri, licząca około 10 milionów prastarych gwiazd, w obiektywie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. To właśnie takie gwiazdy – najstarsze mieszkanki Drogi Mlecznej – posłużyły astronomom do niezależnego oszacowania wieku Wszechświata. Źródło: NASA/ESA

Gwiazdy jako kosmiczne skamieliny

Zespół kierowany przez Indranila Banika z Instytutu Kosmologii i Grawitacji Uniwersytetu w Portsmouth wyszedł z prostego założenia: najstarsze przetrwałe gwiazdy Galaktyki muszą być młodsze niż sam Wszechświat. Jeśli więc uda się precyzyjnie wyznaczyć ich wiek, otrzyma się dolne ograniczenie na wiek kosmosu – niezależne od pomiarów tempa jego rozszerzania się. Jak piszą sami autorzy, najstarsze gwiazdy Galaktyki działają niczym kosmiczne skamieliny, podobnie jak słoje drzew czy warstwy skał opowiadają geologom historię Ziemi.

Podstawą analizy był katalog ponad 247 tysięcy gwiazd Drogi Mlecznej, opracowany wcześniej przez zespół Xianga i Rixa na podstawie widm wysokiej rozdzielczości z chińskiego teleskopu LAMOST oraz precyzyjnych pomiarów odległości z misji Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej. Astronomowie skupili się na gwiazdach znajdujących się blisko końca swojego normalnego życia – tak zwanych podolbrzymach w pobliżu punktu zwrotu ciągu głównego – ponieważ to właśnie na tym etapie ewolucji ich właściwości zmieniają się najszybciej, co pozwala najdokładniej oszacować wiek.

Surowa selekcja danych

Aby uniknąć fałszywie zawyżonych wyników, badacze zastosowali rygorystyczne filtry jakości. Prawdziwie stare gwiazdy muszą być ubogie w metale i wzbogacone w pierwiastki alfa – dokładnie tak, jak przewiduje teoria formowania się gwiazd w najwcześniejszych epokach istnienia Wszechświata. Wyniki uzyskane na podstawie modeli ewolucyjnych porównano dodatkowo z niezależnym oszacowaniem wieku, opartym wyłącznie na danych z Gaia. Po odrzuceniu obiektów niespełniających tych kryteriów z pierwotnego katalogu pozostała solidna próbka 155 600 gwiazd znajdujących się w promieniu pięciu kiloparseków od Słońca.

13,73 miliarda lat

Wynik końcowy jest zaskakująco precyzyjny: najstarsza gwiazda w próbce liczy sobie około 13,73 miliarda lat, z bardzo wąskim marginesem niepewności. Doliczając czas potrzebny na powstanie pierwszych długowiecznych gwiazd po Wielkim Wybuchu, astronomowie szacują wiek samego Wszechświata na około 13,8 miliarda lat. To wartość niemal identyczna z tą, którą od lat wyznacza się na podstawie promieniowania reliktowego – najstarszego światła Wszechświata, zmierzonego precyzyjnie przez satelitę Planck.

Zgodność ta ma istotne znaczenie w kontekście tak zwanego napięcia Hubble’a – uporczywej rozbieżności między dwoma sposobami mierzenia tempa rozszerzania się Wszechświata. Pomiary oparte na promieniowaniu reliktowym oraz te wykonywane lokalnie, za pomocą cefeid i supernowych, różnią się o mniej więcej dziewięć procent. Część proponowanych rozwiązań tego problemu zakłada istnienie nowej fizyki działającej w najwcześniejszych chwilach istnienia kosmosu – a takie scenariusze przewidują wyraźnie młodszy Wszechświat, liczący sobie bliżej 12,9 miliarda lat. Gdyby to one były prawdziwe, znalezione w badaniu najstarsze gwiazdy po prostu nie mogłyby istnieć, byłyby bowiem starsze od samego Wszechświata.

Co to oznacza dla napięcia Hubble’a

Wynik zespołu Banika nie rozwiązuje samego napięcia Hubble’a – rozbieżność między dwiema metodami pomiaru tempa ekspansji wciąż pozostaje nierozstrzygnięta. Osłabia jednak wiarygodność wyjaśnień odwołujących się do nowej fizyki wczesnego Wszechświata, faworyzując zamiast tego scenariusze późne – związane raczej z lokalnymi właściwościami naszego kosmicznego sąsiedztwa, takimi jak choćby hipotetyczna wielka pustka w rozkładzie galaktyk, którą Banik badał już we wcześniejszych pracach. Innymi słowy: problem z tempem rozszerzania się Wszechświata prawdopodobnie nie bierze się z błędów w opisie pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu, lecz z czegoś dziejącego się bliżej nas i później w historii kosmosu.

Praca pokazuje też siłę połączenia dwóch niezależnych, wielkoskalowych przeglądów nieba – chińskiego LAMOST i europejskiej Gaia – jako narzędzia kosmologicznego, które pozwala testować najbardziej fundamentalne pytania o Wszechświat, korzystając wyłącznie z danych o gwiazdach naszej własnej Galaktyki.

Źródła:

Główne: