Величайшая космическая загадка: астрономы находят звезды, которые старше самой Вселенной

"Чем старше ты становишься, тем больше понимаешь, что твой внешний вид — это отражение того, как ты относишься к себе." - Хоуп Дэвис

Если ты понимаешь, как устроены звезды, то, наблюдая физические свойства одной из них, ты можешь экстраполировать её возраст и узнать, когда она должна была родиться. Звезды претерпевают много изменений по мере старения: их радиус, светимость и температура эволюционируют, поскольку они сжигают своё топливо. Но продолжительность жизни звезды, в общем, зависит только от двух свойств, с которыми она родилась: её массы и металличности, то есть количества элементов тяжелее водорода и гелия в её составе. Самые древние звезды, которые мы нашли во Вселенной, почти первозданные, где почти 100% их состава — это водород и гелий, оставшиеся после Большого взрыва. Им более 13 миллиардов лет, а самой старой — 14,5 миллиарда. И это большая проблема, потому что самой Вселенной всего 13,8 миллиарда лет.

Ядро шарового скопления Омега Центавра — одна из самых густонаселенных областей старых звезд. Хотя возраст звезд здесь превышает 12 миллиардов лет, возраст некоторых звезд превышает 14 миллиардов лет, что является проблемой, поскольку возраст самой Вселенной составляет всего 13,8 миллиардов лет.

Ты не можешь иметь звезду, которая старше самой Вселенной; это бы означало, что звезда существовала до самого Большого взрыва! Но Большой взрыв был началом Вселенной, как мы её знаем, откуда произошли все материя, энергия, нейтрино, фотоны, антиматерия, темная материя и даже темная энергия. Все, что содержится в нашей наблюдаемой Вселенной, произошло от этого события, и все, что мы воспринимаем сегодня, можно проследить до этого начального момента во времени. Так что самое простое объяснение, что есть звезды, предшествующие Вселенной, должно быть исключено.

Оглядываясь назад, можно сказать, что различные расстояния соответствуют разным временам, прошедшим после Большого взрыва. Однако если Большой взрыв произошел 13,8 миллиарда лет назад, то самые старые звезды должны быть не старше этой цифры.

Также возможно, что мы ошибаемся в возрасте Вселенной! Мы приходим к этому числу благодаря точным измерениям Вселенной в самых больших масштабах. Исследуя множество признаков, включая:

- Плотность и температурные несовершенства в реликтовом микроволновом фоне, оставшемся после Большого взрыва,

- Кластеризацию звезд и галактик на сегодняшний день и на миллиарды световых лет назад,

- Темп расширения Хаббла ткани Вселенной,

- Историю формирования звезд и эволюцию галактик, и многие другие источники, мы пришли к очень последовательной картине Вселенной.

Она состоит из 68% темной энергии, 27% темной материи, 4,9% обычной материи, около 0,1% нейтрино и 0,01% излучения и имеет возраст около 13,8 миллиардов лет. Неопределенность в возрасте менее 100 миллионов лет, так что хотя возможно, что Вселенная немного старше или моложе, крайне маловероятно достичь 14,5 миллиардов лет.

Миссия ЕКА «Гайя» измерила положение и свойства сотен миллионов звезд вблизи галактического центра и находит свидетельства присутствия в этой среде некоторых из самых старых звезд, известных человечеству.

Так что остается только одна разумная возможность: возможно, мы ошибаемся в возрастах звезд. Мы наблюдали буквально сотни миллионов звезд в деталях на разных стадиях их жизненного цикла. Мы знаем, как звезды формируются и при каких условиях; мы знаем, когда и как они начинают термоядерный синтез; мы знаем, как долго длится каждая стадия синтеза и насколько она эффективна; мы знаем продолжительность жизни и как узнать агонию звезд всех видов различных масс. Короче говоря, астрономия — это очень надежная наука, особенно когда речь идет о звездах. В общем, самые древние звезды опознаются по тому, что они относительно маломассивны (менее массивны, чем наше Солнце), имеют очень низкое содержание металлов (элементы, кроме водорода или гелия) и должны предшествовать самой галактике.

Выборка шарового скопления Терзан 5, уникального звена в прошлом Млечного Пути. Невероятно старые звезды можно найти в шаровых скоплениях, остатках некоторых из первых «всплесков» звездообразования, произошедших в наших окрестностях Вселенной.

Некоторые из них находят в глобуларных скоплениях, которые подтверждено содержат звезды старше 12 миллиардов лет, или, в редких случаях, даже 13 миллиардов лет. Генерацию назад люди утверждали, что эти скопления имеют возраст от 14 до 16 миллиардов лет, создавая напряженность в принятых космологических моделях, но улучшенное понимание звездной эволюции привело эти цифры в соответствие. Мы также разработали более совершенные техники по мере улучшения наших наблюдательных возможностей: измеряя не только содержание углерода, кислорода или железа в этих звездах, но и используя распад радиоактивных изотопов урана и тория в сочетании с элементами, созданными в первых сверхновых Вселенной, мы можем точно датировать многие отдельные звезды.

SDSS J102915+172927, расположенная на расстоянии около 4140 световых лет в галактическом гало, представляет собой древнюю звезду, которая содержит лишь 1/20 000 тяжелых элементов, которыми обладает Солнце, и ее возраст должен составлять более 13 миллиардов лет: одна из старейших во Вселенной. , похож на HE 1523–0901, но еще более беден металлами.

В 2007 году мы смогли измерить звезду HE 1523–0901, которая составляет около 80% массы Солнца, содержит только 0,1% железа Солнца и, согласно ее радиоактивным элементам, ее возраст составляет 13,2 миллиарда лет. В 2015 году группа из девяти звезд около центра Млечного Пути была датирована возрастом 13,5 миллиардов лет: всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва и до начального формирования Млечного Пути. "Эти звезды сформировались до Млечного Пути, и галактика сформировалась вокруг них," сказала Луиза Хоуз, сооткрыватель этих древних реликвий. На самом деле, одна из этих девяти звезд содержит менее 0,001% железа Солнца; именно такой тип звезд и классы звездных популяций будет искать космический телескоп Джеймса Уэбба, когда он будет запущен в октябре 2018 года.

Это изображение старейшей звезды нашей галактики с четко установленным возрастом, полученное в результате цифрового обзора неба. Стареющая звезда, занесенная в каталог как HD 140283, находится на расстоянии более 190 световых лет от нас. Космический телескоп «Хаббл» НАСА/ЕКА использовался для уменьшения неопределенности измерений расстояния до звезды, и это помогло уточнить расчет более точного возраста в 14,5 миллиардов лет (плюс-минус 800 миллионов лет).

Но самая сбивающая с толку звезда из всех — это HD 140283, неофициально прозванная звездой Мафусаил. Находясь всего в 190 световых годах от нас, мы можем очень точно измерить ее светимость, поверхностную температуру и состав; мы также видим, что она только начинает переходить в фазу субгиганта и становиться красным гигантом. Эти данные, взятые вместе, позволяют нам получить хорошо ограниченное значение возраста звезды, и результат, мягко говоря, тревожен: 14,46 миллиарда лет. Тем не менее, некоторые другие свойства, которые она демонстрирует, например, содержание железа 0,4% от солнечного, предполагают, что она очень стара, но не среди самых древних звезд. Хотя неопределенность в возрасте составляет около 800 миллионов лет, это все равно ставит ее неприятно рано и намекает на потенциальное противоречие между возрастом звезд и возрастом Вселенной.

Млечный Путь, как мы его знаем сегодня, не сильно изменился за миллиарды лет. Но по мере старения звезд более массивные из них завершают свою жизнь, а менее массивные начинают эволюционировать в субгиганты. Тот факт, что звезды массой 0,8 солнечных масс начинают эволюционировать, намекает на что-то тревожное в возрасте Вселенной.

Теперь, конечно, всегда возможно, что что-то странное произошло в прошлом этой звезды, о чем мы не можем знать сегодня. Возможно, она родилась как звезда большей массы, и что-то сорвало ее внешние слои, резко сократив время ее жизни. Возможно, звезда позже в жизни поглотила какой-то материал, который изменил ее содержание тяжелых элементов, искажая наше восприятие сегодня. Или возможно, у нас неправильное понимание фазы субгиганта в звездной эволюции этих старых, низкометаллических звезд. Эти неизвестные (и в некоторых случаях непознаваемые) факторы могут быть источниками ошибок, когда мы пытаемся вычислить возраст самых старых звезд.

Но если наши данные о возрастах верны, возможно, у нас есть проблема. Нельзя иметь звезду, существующую в нашей Вселенной, которая старше самой Вселенной. Либо что-то не так с нашими оценками возраста некоторых звезд, либо что-то не так с нашими оценками возраста Вселенной, либо что-то еще, о чем мы даже не думаем, идет не так.

Хотя инфракрасные обзоры часто используются для изображения пыльных объектов, проникая внутрь, они также невероятно полезны для выявления свойств старых, более холодных звезд. Самая старая звезда в Млечном Пути, скорее всего, еще не открыта.

Независимо от того, каково будет разрешение, это важная и чрезвычайно ценная ситуация для ученого. Звезды сами по себе должны устанавливать нижний предел возраста Вселенной; Вселенная сама по себе должна быть старше. То, что мы не видим этого с абсолютной уверенностью, создает прекрасное напряжение, которое может оказаться предвестником чрезвычайного научного прогресса. Будь то новое знание о звездах и о том, как они живут, эволюционируют и умирают; будь то новое понимание возраста Вселенной; или будь то третий фактор, ответственный за это непонимание, есть возможность улучшить наше научное понимание Вселенной. В конце концов, это лучшая ситуация, в которой может оказаться любой любопытный человек. То, что кажется невозможностью, может оказаться чем-то еще более ценным: возможностью продвинуть наше знание о том, как работает Вселенная, в неизведанные ранее пределы.