Возраст Вселенной снова оценили в 13,8 миллиарда лет: крупнейшая перепись древних звезд укрепила стандартную космологическую модель

Один из самых фундаментальных вопросов современной космологии — сколько лет существует Вселенная — вновь оказался в центре внимания ученых. Международная группа астрономов выполнила крупнейший анализ возрастов древнейших звезд Млечного Пути и получила независимую оценку возраста Вселенной. Полученный результат хорошо согласуется с современной космологической моделью и вновь указывает на возраст около 13,8 миллиарда лет.

Исследование основано не на наблюдении далеких галактик или реликтового излучения, а на своеобразных «космических ископаемых» — древнейших звездах нашей Галактики. Подобно тому как возраст горных пород или годичных колец деревьев помогает восстановить историю Земли, самые старые звезды позволяют заглянуть практически в самое начало существования Вселенной.

Работа опубликована в виде научного препринта на сервере arXiv и уже привлекла большое внимание специалистов, поскольку касается одной из наиболее обсуждаемых проблем современной астрофизики — так называемого «напряжения Хаббла».

Сегодня существуют два основных способа определить скорость расширения Вселенной. Первый основан на исследовании космического микроволнового фонового излучения — слабого теплового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Этот метод позволяет восстановить параметры молодой Вселенной и, используя стандартную космологическую модель ΛCDM, получить возраст около 13,8 миллиарда лет.

Второй подход использует наблюдения относительно близких космических объектов — цефеид, сверхновых типа Ia и других астрономических «стандартных свечей». Эти измерения дают несколько более высокую скорость расширения современной Вселенной.

Разница между двумя независимыми методами составляет примерно 9%. На первый взгляд это немного, однако для современной космологии подобное расхождение чрезвычайно существенно. Если локальные измерения действительно отражают реальную скорость расширения Вселенной на протяжении всей ее истории, то возраст космоса оказался бы значительно меньше — примерно от 12,5 до 12,9 миллиарда лет.

Именно это противоречие и получило название «напряжение Хаббла». Уже несколько лет ученые пытаются понять, связано ли оно с погрешностями наблюдений, особенностями обработки данных или же указывает на существование новой физики, выходящей за рамки современной космологической модели.

Чтобы получить полностью независимую оценку возраста Вселенной, исследователи решили отказаться от обоих традиционных методов и обратиться к самим звездам.

Логика такого подхода довольно проста. Если удалось обнаружить звезду возрастом почти 13,8 миллиарда лет, значит сама Вселенная должна быть еще немного старше, поскольку после Большого взрыва должно было пройти некоторое время, прежде чем появились первые поколения звезд.

Авторы исследования сосредоточились на особом классе объектов — субгигантах. Это звезды, которые уже завершили основную стадию своей эволюции, но еще не превратились в красных гигантов. Именно на этой стадии возраст звезд можно определить наиболее точно, поскольку их светимость, температура и химический состав хорошо описываются современными моделями звездной эволюции.

Первоначально ученые собрали выборку из более чем 247 тысяч звезд. Основные данные были получены благодаря двум крупнейшим астрономическим проектам последних лет — китайскому спектроскопическому телескопу LAMOST и европейской космической обсерватории Gaia.

LAMOST предоставляет подробную информацию о химическом составе звезд, а Gaia с высокой точностью измеряет их расстояния, собственные движения и положение в пространстве. Совместное использование этих данных позволяет значительно повысить точность определения возраста.

После тщательной проверки исследователи исключили объекты, не соответствующие характеристикам древнего звездного населения, а затем дополнительно выполнили независимую верификацию результатов. В итоге окончательная выборка включила 155 600 звезд — одну из крупнейших подобных баз данных в истории астрономии.

Анализ показал, что самые древние звезды Млечного Пути имеют возраст около 13,73 миллиарда лет. С учетом статистических погрешностей этот результат практически полностью совпадает с прогнозом стандартной космологической модели.

При этом необходимо учитывать, что первые звезды не могли появиться сразу после Большого взрыва. Согласно современным моделям, между рождением Вселенной и формированием первых звезд прошло примерно 200 миллионов лет. Если прибавить этот промежуток времени, итоговый возраст Вселенной оказывается очень близким к значению 13,8 миллиарда лет.

Полученные результаты хорошо согласуются и с другими независимыми исследованиями, в которых возраст Вселенной оценивался по древним шаровым скоплениям, старейшим белым карликам и химическому составу звезд первого поколения.

Авторы исследования подчеркивают, что полностью проблема «напряжения Хаббла» пока не решена. Несмотря на огромный объем данных, существует несколько источников неопределенности, которые продолжают ограничивать точность расчетов.

К ним относятся конечный размер выборки, качество наблюдательных данных, особенности моделей звездной эволюции, неопределенность времени начала звездообразования после Большого взрыва и некоторые теоретические предположения, используемые при интерпретации результатов.

Тем не менее общий вывод оказывается весьма показательным. Если возраст Вселенной действительно близок к 13,8 миллиарда лет, то наиболее вероятно, что причина «напряжения Хаббла» связана не с ранней историей космоса, а с процессами, происходящими значительно позже.

Одна из возможных гипотез предполагает, что свойства расширения Вселенной могли слегка измениться лишь в последние несколько миллиардов лет. Согласно другой версии, причиной расхождения могут быть особенности распределения вещества в окрестностях Млечного Пути.

Некоторые космологи рассматривают возможность существования гигантской области с пониженной плотностью вещества — своеобразной космической пустоты, внутри которой находится наша Галактика. Если такая структура действительно существует, локальные измерения скорости расширения могут оказаться немного завышенными по сравнению со средним значением для всей Вселенной.

Исследование также демонстрирует стремительное развитие современной звездной астрономии. Еще несколько десятилетий назад определение возраста даже нескольких сотен звезд считалось чрезвычайно сложной задачей. Сегодня благодаря космическим обсерваториям, автоматизированным спектроскопическим обзорам и современным вычислительным моделям ученые могут анализировать сотни тысяч объектов одновременно.

В ближайшие годы точность подобных исследований продолжит расти. Новые каталоги Gaia, более совершенные модели внутреннего строения звезд, развитие астросейсмологии и запуск новых космических телескопов позволят еще точнее определить возраст древнейших звезд и, следовательно, уточнить возраст самой Вселенной.

На сегодняшний день совокупность независимых наблюдений все увереннее указывает на то, что возраст Вселенной действительно составляет около 13,8 миллиарда лет. Новая крупнейшая перепись древних звезд не только укрепляет позиции стандартной космологической модели ΛCDM, но и помогает сузить круг возможных объяснений одного из главных противоречий современной космологии. Если будущие исследования подтвердят эти выводы, «напряжение Хаббла», вероятно, окажется связано не с фундаментальным пересмотром законов физики, а с особенностями эволюции поздней Вселенной или локальной структуры космического пространства.