Перепись 155 600 субгигантов Млечного Пути подтвердила возраст Вселенной в 13,8 млрд лет

Вселенная, какой мы ее знаем, стареет. Или нет? Звучит как философский вопрос, но для астрофизиков это конкретная математическая проблема. Недавние попытки «омолодить» Вселенную, чтобы согласовать данные о скорости ее расширения, разбились о жесткий барьер — самые старые звезды Млечного Пути. Они просто не вписываются в новые теории. Давайте разберемся, почему.

Современная космология переживает кризис. Его называют хаббловским напряжением. Суть проста: два разных способа измерить скорость расширения Вселенной дают разные результаты.

Первый метод — «космологический». Он смотрит на реликтовое излучение, эхо Большого взрыва. По данным телескопа Planck, Вселенная расширяется со скоростью 67,4 км/с на мегапарсек. Возраст — 13,8 миллиарда лет. Красивая, гладкая теория.

Второй метод — «локальный». Ученые напрямую меряют расстояния до ближайших галактик по цефеидам и сверхновым. Результат — 73 км/с на мегапарсек. Выше. Быстрее.

Если локальные измерения верны, Вселенная должна быть моложе. Чтобы достичь нынешних размеров при большей скорости, ей нужно меньше времени. Физики предложили «лекарство» — гипотезы ранней темной энергии. Они ускоряют расширение в первые мгновения после Большого взрыва. Проблема решена? Нет. Цена этого решения — возраст Вселенной. Он сжимается до 12,9 миллиарда лет. А это уже катастрофа для звезд.

Физика субгигантов: как заглянуть в паспорт звезды

Чтобы проверить, может ли Вселенная быть такой молодой, нужно найти самые старые объекты в Галактике. Идеальные «свидетели» — звезды на стадии субгигантов.

В чем суть. Большую часть жизни звезда мирно горит на «главной последовательности», превращая водород в гелий. Когда водород в ядре заканчивается, горение перемещается в оболочку вокруг гелиевого ядра. Звезда набухает, остывает. Это переходный период — стадия субгиганта. И он короткий.

Физические параметры субгиганта (температура, светимость, химсостав) жестко привязаны к его массе и времени жизни. Это как отпечатки пальцев. Измерил — рассчитал возраст. Никаких допущений, чистая физика.

Ученые взяли каталог на 247 103 звезды. Данные с телескопов LAMOST и Gaia. Но просто взять и посчитать — не вариант. Слишком много шума.

Фильтрация данных: как отсеять мусор

Ошибка в измерении температуры — и звезда-подросток выглядит как древний старец. Исследователи применили жесткую систему отбора. Четыре уровня защиты.

• Расстояние и параллакс. Оставили только звезды в радиусе 5 килопарсек от Солнца. Погрешность расстояния — не более 10%. Это гарантирует точность светимости.
• Двойные системы. Две звезды, слившиеся в одно пятно на снимке, дают завышенную светимость. Такие объекты вычистили по микроскопическим колебаниям изображений Gaia.
• Химический анализ. Старые звезды бедны металлами (в астрофизике металлы — все, что тяжелее гелия). Если алгоритм показывал высокий возраст для звезды с высоким содержанием железа — это ошибка. Объект удаляли.
• Перекрестная проверка. Результаты сравнили с независимым каталогом Gaia FLAME. Несовпадения — в отвал.

После фильтрации осталось 155 600 звезд. Качественный материал для анализа.

Математическая реконструкция: правда, скрытая в цифрах

Даже с чистыми данными нельзя просто взять самую старую звезду и объявить ее возраст пределом. У любого измерения есть погрешность 5-10%. В выборке из 150 тысяч объектов несколько звезд обязательно «постареют» из-за случайного наложения ошибок.

Ученые применили метод Монте-Карло (MCMC). Алгоритм не ищет рекордсмена. Он реконструирует истинное распределение возрастов для всей популяции, учитывая погрешности каждого измерения. Тысячи сценариев. Сопоставление с моделью ошибок. И вот результат.

Истинный возраст старейшей звезды в выборке — 13,73 миллиарда лет (плюс-минус 0,18).

Даже при самых жестких или, наоборот, мягких критериях фильтрации, минимальный возраст старейших звезд не опускается ниже 13,31 миллиарда лет.

Это приговор для гипотез ранней темной энергии. Они дают максимальный возраст звезд в 12,7 миллиарда лет. Разрыв — около миллиарда лет. Статистическая значимость — 2,3 сигма. Вероятность случайности ничтожна. Звезды просто не могут быть такими старыми в такой молодой Вселенной.

Что делать с хаббловским напряжением?

Если ранняя Вселенная не подходит, нужно искать другие пути. Их несколько.

• Изменения на поздних этапах. Скорость расширения могла измениться относительно недавно (при малых красных смещениях). Это не влияет на общий возраст. Модели с динамической темной энергией — вариант.
• Гипотеза локальной пустоты. Возможно, мы живем в гигантском войде — области с пониженной плотностью. Гравитация соседних, более плотных областей «расталкивает» галактики быстрее. Иллюзия высокой скорости расширения.
• Систематические ошибки. Локальные методы могут врать. Химический состав цефеид или сверхновых может искажать их светимость. Это еще предстоит проверить.

Личное наблюдение автора. Недавно я заметил, что в науке часто происходит одно и то же. Мы пытаемся «подкрутить» фундаментальные теории, чтобы объяснить локальные аномалии. А потом приходят данные с «места событий» — и ломают всю стройную картину. Звезды Млечного Пути оказались жестче любых теоретических построений.

Космология — это не только взгляд в бесконечную даль. Иногда самые важные ответы лежат у нас под ногами, в нашей собственной галактике. История Вселенной записана в химическом составе старейших звезд. И они говорят нам: не торопитесь с выводами. 13,8 миллиарда лет — это все еще рабочая версия.

По материалам: iXBT