Возраст Вселенной по древнейшим звёздам Галактики ✛ ✦

Оригинал: "The age of the Universe from a large sample of the oldest Galactic stars"
arXiv:2607.00764 · 2026-07-01 · CC BY 4.0 · 3 мин
Анализ 155 тысяч старых звёзд Млечного Пути указывает на возраст мироздания 13,73 млрд лет, поддерживая стандартную космологию и бросая вызов гипотезам о «напряжении Хаббла».

Контекст

Возраст Вселенной — фундаментальная константа, но её точное значение зависит от космологической модели. Прямые измерения красного смещения по закону Хаббла (открытому Эдвином Хабблом) входят в противоречие с оценками из реликтового излучения (CMB). Это «напряжение Хаббла» побуждает искать альтернативы стандартной ΛCDM-космологии. Особый интерес представляют «ранние» решения, модифицирующие физику до эпохи рекомбинации. Они предсказывают более молодую Вселенную — около 12,9 млрд лет. Проверить это можно, обратившись к «галактической археологии»: изучению древнейших звёзд нашего Млечного Пути, чей возраст служит космическими часами, практически не зависящими от теоретических моделей.

Методы

Основой послужил каталог 247 103 звёзд, для которых по данным спектроскопии LAMOST и астрометрии Gaia eDR3 определены возраста с помощью изохрон YY (до 20 млрд лет) и функций правдоподобия. Чтобы отсеять звёзды с недостоверными оценками (например, необъяснимо малой погрешностью при возрасте >16 млрд лет), ввели дополнительные популяционные критерии: «старые» звёзды должны быть бедны металлами ([Fe/H] < 2.2 – 0.21×возраст) и обогащены α-элементами ([α/Fe] > –0.5 + 0.05×возраст); их возраст должен согласовываться с независимыми оценками FLAME из Gaia в пределах 3σ. После отбора осталось 155 600 звёзд с монотонно растущей неопределённостью возраста к высоким значениям. Для определения истинного возраста старейшей звезды (A★) сначала провели непараметрическую MCMC-реконструкцию скрытого возрастного распределения популяции в 100 бинах, используя градиентный штраф для сглаживания. Затем, анализируя спад отношения вероятности к её неопределённости (P/σ) с возрастом, выделили излом и интерпретировали его как границу A★.

Результаты

Восстановленное распределение демонстрирует почти линейный спад P/σ в диапазоне 12–14 млрд лет с последующим выходом на «плато шума» за 14 млрд лет. Пересечение этих режимов даёт возраст старейшей звезды A★ = 13,73 (+0,18/–0,15) млрд лет. При добавлении 0,2 млрд лет на формирование первых долгоживущих звёзд после Большого взрыва, концепция которого была заложена Жоржем Леметром, получается космический возраст 13,93 (+0,18/–0,15) млрд лет, что в пределах 1σ совпадает с 13,8 млрд лет предсказания ΛCDM, калиброванной по CMB. В то же время модель с «ранним» решением напряжения Хаббла, использующая уравнения Фридмана и современные значения параметров, даёт возраст Вселенной 12,91 ± 0,18 млрд лет и соответственно A★ = 12,71 ± 0,18 млрд лет. Наш результат исключает этот сценарий с напряжённостью >3σ даже при наиболее жёстких обрезаниях выборки. Анализ 1556 звёзд с экстремальной металличностью ([Fe/H] ≤ –0.9) и высоким [α/Fe] (≥0.2) подтверждает близкий возраст 13,85 (+0,05/–0,04) млрд лет, что практически не зависит от допусков на начальное содержание гелия.

Значение

Полученный возрастной рубеж ставит под сомнение целый класс модификаций ΛCDM, возлагающих ответственность за ускоренное расширение на новую физику в ранней Вселенной. Если бы темп расширения был на 9% выше на протяжении большей части космической истории, как требуется в таких моделях, возраст мироздания сократился бы на ~1 млрд лет, что несовместимо с наблюдаемым возрастом старейших звёзд. Это укрепляет позиции «поздних» решений (например, локальный войд или модификации гравитации) и указывает на необходимость пересмотра интерпретации красных смещений в близкой Вселенной, не требующих пересмотра общей теории относительности А. Эйнштейна.

Развитие

Дальнейший прогресс требует улучшения по пяти направлениям: увеличение выборок и разрешения сеток возрастов; снижение систематик звёздных моделей (особенно по гелиевому обогащению и параметру длины перемешивания, αML); уточнение времени формирования первых звёзд (tf); повышение точности космографических параметров из наблюдений низкокрасной Вселенной; более полный учёт неопределённостей метода MCMC-реконструкции.

Влияние

Результаты влияют на космологию (напряжение Хаббла, природа тёмной энергии), галактическую археологию и физику звёздной эволюции.

Следующие шаги

Следующий шаг — повторение анализа с данными LAMOST DR8 и Gaia DR4, а также применение более современных сеток изохрон, учитывающих индивидуальные содержания α-элементов.

Ключевые проблемы

Работа напрямую связана с нерешёнными проблемами: природа тёмной энергии и тёмной материи, первые мгновения после Большого взрыва (tf) и происхождение звёздных населений в ранней Галактике.

Взгляд машины знаний

Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.

Что сделано в работе

Авторы определили возраст старейших звёзд Млечного Пути по данным LAMOST и Gaia, используя изохроны YY и байесовский анализ. После отбора 155 600 звёзд по металличности и α-обогащению они восстановили возрастное распределение и нашли границу старейшей звезды ~13,73 млрд лет, что согласуется с ΛCDM и исключает 'ранние' решения напряжения Хаббла.

В чём сила

Сила работы — в прямом эмпирическом ограничении возраста Вселенной, независимом от космологических моделей, и в тщательной фильтрации выборки для подавления систематических ошибок.

Куда можно двигаться

Что можно попробовать

  • Применить байесовскую иерархическую модель, учитывающую неопределённости изохрон и металличности, для более строгого определения возраста старейшей звезды.
  • Исследовать чувствительность результата к выбору порога по металличности и α-обогащению, варьируя их в разумных пределах.
  • Использовать данные о кинематике звёзд для выделения популяции гало, что может улучшить отбор древних объектов.

Почему это может быть важно

Точное определение возраста Вселенной важно для разрешения 'напряжения Хаббла' и проверки альтернативных космологических моделей, а возраст древнейших звёзд служит модельно-независимым якорем.

Оригинальная аннотация

как её написали авторы, на английском arXiv:2607.00764

We estimate the age of the Universe using the Xiang & Rix sample of 247,103 Milky Way stars with high-resolution spectroscopy from LAMOST DR7 and $$Gaia$$ eDR3 parallaxes. Stellar ages were estimated using YY isochrones up to 20 Gyr. To remove stars with unusually high and precise ages, we require old stars to be metal-poor and $$\alpha$$-enriched. We also require consistency between YY ages and those obtained with FLAME based only on $$Gaia$$ data. Our final sample of 155,600 stars within 5 kpc provides consistent cosmic age estimates using several techniques of increasing rigour. Our main results use an MCMC reconstruction of the latent age distribution, though our iterative reconstruction is very similar. Applying an innovative approach to our MCMC reconstruction and its uncertainties, we find that the oldest star has an age of $$A_\star = 13.73^{+0.18}_{-0.15}$$ Gyr. Varying the quality cuts can at most reduce this to $$A_\star = 13.31^{+0.21}_{-0.18}$$ Gyr or raise it to $$14.02^{+0.18}_{-0.15}$$ Gyr using a much lower or higher age-dependent metallicity ceiling, respectively. Our inferred $$A_\star$$ is consistent with the 13.6 Gyr expected in CMB-calibrated $$\Lambda$$CDM, assuming the first long-lived stars formed when the Universe was 0.2 Gyr old. This agreement casts doubt on solutions to the Hubble tension solely through new physics prior to recombination, which generally imply a cosmic age of $$12.9 \pm 0.2$$ Gyr to match low redshift probes. It is difficult for stellar modelling uncertainties to reconcile such a low age with our result given the low metallicities of the oldest stars in our sample and independent asteroseismic constraints.

Старейшая звезда в отобранной выборке, Gaia DR3 3656896440426302592, имеет наблюдаемый возраст ~13,5 млрд лет — всего на 0,3 млрд лет моложе всей Вселенной. Если бы её возраст был занижен на типичные 7,5%, истинное значение могло бы достигнуть 14 млрд лет!

A_U = A_\star + t_f
Полный возраст Вселенной равен возрасту старейшей наблюдаемой звезды плюс время от Большого взрыва до образования первых долгоживущих светил
H_0 A_U = \frac{2\,\text{arcsinh}\sqrt{\frac{1-\Omega_m}{\Omega_m}}}{3\sqrt{1-\Omega_m}}
Выражение позволяет вычислить возраст по современным значениям постоянной Хаббла H₀ и доли вещества Ωm, независимо от CMB

Ключевые числа

  • старейшая звезда (A★): 13,73 (+0,18/–0,15) млрд лет
  • возраст Вселенной по CMB (ΛCDM): 13,8 млрд лет
  • возраст Вселенной по «ранним» решениям: 12,91 ± 0,18 млрд лет
  • размер итоговой выборки: 155 600 звёзд
  • размер начального каталога: 247 103 звезды
Учёные
Adam RiessBrian SchmidtEdwin HubbleGeorges LemaîtreMaarten SchmidtSaul Perlmutter
Понятия
возраст Вселенной наблюдаемая вселенная возраст звезды космическая хронометрия первые звёзды затмение реликтового излучения звёздное население космология тёмные века молодая звезда массивная звезда спокойная галактика вспышка звездообразования галактика Андромеды галактическая выпуклость телескоп «Гайя» эра доминирования излучения звёзды населения III химическая галактическая археология большой взрыв