Звёзды с наименьшей массой составляют 8% массы Солнца и могут существовать до 12 триллионов лет. Этот срок в 870 раз больше времени, прошедшего с момента Большого взрыва. Возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет на основе карты температурных флуктуаций реликтового излучения, полученной спутником Planck. Но существуют ли реликты, более старые, чем сама Вселенная? Если бы мы нашли такие объекты, это поставило бы под сомнение стандартную космологическую модель.
Мы можем получить приблизительную оценку возраста Вселенной, используя данные, собранные ещё столетие назад. Наблюдаемая Вселенная расширяется. Если обратить вспять этот процесс, можно прийти к моменту, когда плотность материи и излучения была бесконечной — к Большому взрыву. Время, прошедшее с тех пор, примерно равно периоду, за который галактики в местной Вселенной удалялись от нас до достижения своих текущих расстояний. Как показали Эдвин Хаббл и Жорж Леметр около века назад, скорость разбегания галактики пропорциональна её расстоянию. Коэффициент этой пропорциональности называется постоянной Хаббла. Используя эти данные, можно вычислить, что отношение расстояния к скорости разбегания примерно равно обратному значению постоянной Хаббла, что составляет около 14 миллиардов лет. Ни один объект не мог пережить Большой взрыв, так как температура и плотность материи в этот момент достигали экстремальных значений: до 10³⁰ раз выше комнатной температуры и 10⁹³ раз плотнее твёрдого тела.
Близость точного возраста Вселенной к обратному значению постоянной Хаббла объясняется балансом между ранним периодом замедления расширения и поздним периодом ускорения, что делает предположение о постоянной скорости расширения достаточно точным.
Точное значение постоянной Хаббла остаётся предметом споров, известных как «напряжение Хаббла». Различные наборы данных указывают на разные значения, разница между которыми составляет около 10%. Данные спутника Planck указывают на наименьшее из возможных значений. Если принять значение постоянной Хаббла на 10% выше, чем принято сейчас, оценка возраста Вселенной уменьшится с 13,8 до 12,6 миллиарда лет. Это сопоставимо с оценочной продолжительностью жизни Солнца (12,2 миллиарда лет), что означает, что самые старые звёзды могут помочь разрешить «напряжение Хаббла».
Сравнение возраста звёзд с возрастом Вселенной можно проводить и для ранних эпох. Свет от далёких галактик идёт к нам миллиарды лет, позволяя наблюдать их в прошлом. В статье 2002 года, написанной мной совместно с Раулем Хименесом, мы предложили использовать возраст удалённых галактик для ограничения значений постоянной Хаббла.
В более недавней работе, совместно с Санни Ваньоцци и Фабио Пакуцци, мы изучали самые старые объекты во Вселенной в зависимости от времени, прошедшего с момента их образования. Мы использовали комбинацию данных о галактиках и квазарах, чтобы построить диаграмму «возраст-красное смещение» для самых старых объектов вплоть до красного смещения 8, когда Вселенной было всего 650 миллионов лет — менее 5% от её нынешнего возраста. Наши результаты исключили наиболее высокие значения постоянной Хаббла, полученные на основе наблюдений за сверхновыми типа Ia. Этот анализ можно продолжить: недавно телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил две галактики, существовавшие при красном смещении 14, когда Вселенной было всего 300 миллионов лет.
Используя тот же метод, можно оценить постоянную Хаббла по возрасту древнейших звёзд в нашей Галактике. Звёзды — это ядерные реакторы с ограниченным запасом топлива. Когда звезда типа Солнца исчерпывает своё топливо, её оболочка сбрасывается, а ядро охлаждается и сжимается, превращаясь в компактный металлический остаток размером с Землю — белый карлик. Поскольку срок жизни звёзд, более массивных, чем Солнце, короче возраста Вселенной, Млечный Путь полон десятков миллиардов «звёздных трупов» — белых карликов. Чем они старше, тем их поверхность холоднее, так как со временем они теряют тепло в отсутствие ядерного источника энергии.
Самые древние звёзды и белые карлики находятся в гало Млечного Пути. Некоторые из них входят в состав древних шаровых скоплений, например, M92, чей возраст оценивается в 14,2 миллиарда лет с погрешностью ±1,2 миллиарда лет. Возраст некоторых старейших белых карликов оценивается в 13,94 миллиарда лет с неопределённостью ±0,85 миллиарда лет.
В проекте, который я веду совместно с талантливым Эндрю Вандербургом из MIT, мы изучаем новейшие данные о самых старых звёздах Млечного Пути, чтобы установить верхнюю границу для значения постоянной Хаббла.
Примечательно, что ограничения на космологические параметры можно получить, даже не покидая поверхность Земли. В статье, написанной мной совместно с моим бывшим студентом Амиром Сираджем, мы предложили изучать метеориты из гало Млечного Пути. Они могли столкнуться с Землёй и сохраниться. По изотопному анализу радиоактивных элементов в их составе можно определить их возраст. Например, торий-232 имеет период полураспада 14,05 миллиарда лет, а уран-238 — 4,468 миллиарда лет. Изучая их соотношение с продуктами распада, можно уточнить значение постоянной Хаббла.
В июне 2023 года я возглавил экспедицию проекта «Галилей» по извлечению материалов из первого официально признанного межзвёздного метеорита IM1, зафиксированного спутниками США в 2014 году. Экспедиция обнаружила фрагменты размером менее миллиметра, как описано в наших недавних публикациях. Сейчас проект «Галилей» ищет финансирование для новой экспедиции, чтобы извлечь более крупные фрагменты, подходящие для изотопного анализа.
Такие исследования могут дать нам не только информацию о ближайшем космическом окружении в пределах Млечного Пути, но и о самой далёкой границе нашей Вселенной, определяемой расстоянием, на которое свет успел распространиться с момента Большого взрыва.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos