Gwiazdy pomogły policzyć wiek Wszechświata. Zaskakująca odpowiedź

Wiek Wszechświata od lat jest przedmiotem sporów naukowców. Problem nie polega jednak na samym pomiarze czasu, ale na tym, że astronomowie korzystający z różnych metod otrzymują nieco inne wyniki. Nowe badanie sugeruje, że Wszechświat rzeczywiście może mieć około 13,8 mld lat, czyli dokładnie tyle, ile przewiduje standardowy model kosmologiczny.

Obecny model opisujący ewolucję Wszechświata zakłada, że wszystko zaczęło się około 13,8 mld lat temu od Wielkiego Wybuchu. Ta wartość wynika przede wszystkim z obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB), czyli najstarszego światła we Wszechświecie, będącego pozostałością po jego wczesnych etapach.

Problem pojawia się, gdy astronomowie próbują zmierzyć tempo rozszerzania się Wszechświata inną metodą. W tym przypadku wykorzystuje się obserwacje znajdujących się stosunkowo blisko Ziemi obiektów, takich jak gwiazdy zmienne cefeidy oraz supernowe. Te pomiary wskazują na wyższą wartość stałej Hubble’a, czyli parametru opisującego szybkość rozszerzania się przestrzeni.

Różnica między tymi dwoma metodami wynosi około 9 proc. Dla kosmologii jest to ogromny problem. Ta rozbieżność otrzymała nazwę napięcia Hubble’a i od kilku lat jest jednym z najważniejszych tematów badań astronomicznych.

Jeżeli poprawne są pomiary oparte na mikrofalowym promieniowaniu tła, Wszechświat powinien mieć około 13,8 mld lat. Jeśli natomiast tempo ekspansji zmierzone lokalnie obowiązywałoby przez całą historię kosmosu, wiek Wszechświata mógłby wynosić zaledwie około 12,5–12,9 mld lat.

Zespół naukowców kierowany przez Indranila Banika z Uniwersytetu w Portsmouth postanowił podejść do problemu z zupełnie innej strony. Zamiast mierzyć tempo rozszerzania się Wszechświata, badacze sprawdzili, jak stare są najstarsze gwiazdy w naszej galaktyce.

Najstarsze gwiazdy działają dla astronomów podobnie jak skamieniałości dla paleontologów. Ich wiek zapisuje historię wczesnego Wszechświata. Jeżeli uda się znaleźć gwiazdę liczącą na przykład 13 mld lat, oznacza to, że sam Wszechświat musi być jeszcze starszy, ponieważ pierwsze gwiazdy nie mogły powstać natychmiast po Wielkim Wybuchu.

Stare gwiazdy Galaktyki są swoistymi kosmicznymi skamieniałościami, które pozwalają badać historię Wszechświata - napisali naukowcy w swojej pracy, opublikowanej właśnie na serwerze arXiv.

Badacze skupili się na szczególnym typie obiektów, gwiazdach podolbrzymach. Są to gwiazdy, które zakończyły już główny etap swojego życia, ale jeszcze nie przekształciły się w czerwone olbrzymy. Ich właściwości pozwalają stosunkowo dokładnie określić wiek.

Początkowo naukowcy przeanalizowali dane dotyczące 247 103 gwiazd podolbrzymów. Informacje pochodziły między innymi z przeglądu nieba LAMOST oraz europejskiej misji kosmicznej Gaia, która tworzy najbardziej szczegółową mapę gwiazd Drogi Mlecznej.

Następnie badacze odrzucili obiekty, które nie pasowały do charakterystycznego składu chemicznego typowego dla bardzo starych gwiazd. Po dodatkowej weryfikacji przy użyciu niezależnej metody pozostała próbka 155 600 gwiazd.

Analiza wykazała, że najstarsze gwiazdy w tej grupie mają około 13,73 mld lat. Naukowcy określili przy tym margines błędu na około +0,18 i -0,15 mld lat.

To bardzo ważny wynik, ponieważ jest on zgodny z wcześniejszymi badaniami najstarszych gwiazd oraz gromad kulistych znajdujących się w Drodze Mlecznej. Jednocześnie dobrze pasuje do wieku Wszechświata przewidywanego przez model ΛCDM, czyli obecnie obowiązujący model kosmologiczny.

Aby najstarsza zaobserwowana gwiazda mogła powstać, musiało minąć trochę czasu od Wielkiego Wybuchu. Astronomowie zakładają, że pierwsze gwiazdy pojawiły się około 200 mln lat po narodzinach Wszechświata. Oznacza to, że wynik około 13,73 mld lat dobrze zgadza się z wiekiem 13,8 mld lat.

Zdaniem naukowców odkrycie może sugerować, że rozwiązania problemu napięcia Hubble’a należy szukać nie w początkach historii Wszechświata, ale w jego późniejszej ewolucji.

Jedna z hipotez zakłada, że tajemnicza rozbieżność pomiędzy pomiarami może być związana z procesami zachodzącymi w ostatnich kilku miliardach lat. Inna możliwość mówi o istnieniu ogromnej lokalnej pustki, obszaru Wszechświata o mniejszej niż przeciętna liczbie galaktyk, która mogłaby sprawiać, że lokalna ekspansja wygląda na szybszą, niż jest w rzeczywistości.

Astronomowie zaznaczają jednak, że nowe wyliczenia nie kończą jeszcze dyskusji. Na dokładność wyniku wpływa kilka czynników, liczba analizowanych gwiazd, sposób selekcji danych, modele opisujące ewolucję gwiazd, tempo powstawania pierwszych obiektów oraz założenia teoretyczne.

Każdy z tych elementów może powodować niepewność rzędu około 150–200 mln lat. Oznacza to, że choć badanie dostarcza mocnego argumentu na rzecz wieku Wszechświata wynoszącego około 13,8 mld lat, nadal potrzebne będą kolejne obserwacje.

Jedno jest jednak coraz bardziej prawdopodobne: najstarsze gwiazdy Drogi Mlecznej nie wskazują na młodszy Wszechświat. Wręcz przeciwnie, ich historia wspiera obraz kosmosu, w którym Wielki Wybuch nastąpił niemal 14 mld lat temu, a tajemnica związana z napięciem Hubble’a może dotyczyć nie narodzin Wszechświata, lecz jego późniejszej historii.