Возраст Вселенной по древнейшим звёздам: новый удар по «ранним» решениям хаббловской напряжённости ✦
На основе выборки 247 103 звёзд из обзора LAMOST DR7 и параллаксов Gaia eDR3 проведена оценка возраста Вселенной. Возрасты звёзд определялись по изохронам YY (до 20 млрд лет); после отбора объектов с низкой металличностью и повышенным содержанием α-элементов, а также проверки согласованности с возрастами FLAME, финальная выборка составила 155 600 звёзд в пределах 5 кпк. Реконструкция скрытого распределения возрастов методом MCMC дала возраст старейшей звезды A★ = 13,73+0,18–0,15 млрд лет. Результат совпадает с ожидаемым в модели ΛCDM (13,8 млрд лет) при условии формирования первых долгоживущих звёзд спустя 0,2 млрд лет после Большого взрыва. Такое согласие оспаривает решения «хаббловского напряжения» за счёт новой физики до рекомбинации, предсказывающие возраст Вселенной около 12,9 ± 0,2 млрд лет. Неопределённости звёздного моделирования не позволяют согласовать эти значения, учитывая низкую металличность старейших звёзд и астросейсмические ограничения.
Контекст
Возраст Вселенной — фундаментальная величина, определяющая всю космическую историю. Ещё Жорж Леметр предположил, что расширение началось из сверхплотного состояния, Эдвин Хаббл экспериментально подтвердил это, обнаружив красное смещение галактик, а Вера Рубин нашла убедительные доказательства существования тёмной материи в спиральных рукавах. Сегодня стандартная космологическая модель ΛCDM, включающая тёмную материю и тёмную энергию, на основе данных реликтового излучения предсказывает возраст в 13,8 млрд лет. Однако существует хаббловская напряжённость — расхождение между значением постоянной Хаббла, полученным по реликтовому фону, и локальными измерениями по сверхновым. Один из классов решений предполагает увеличение темпа расширения в ранней Вселенной, что неизбежно уменьшает её возраст примерно до 12,9 млрд лет. Независимое определение возраста по самым старым звёздам нашей Галактики способно рассудить этот спор. Ведь если во Вселенной успели родиться и дожить до наших дней звёзды возрастом более 13 млрд лет, значит, она никак не может быть моложе этого предела — эффект космологического времени неумолим. Добавляя типичное время (∼0,2 млрд лет) от Большого взрыва до формирования первых долгоживущих светил, мы получаем нижнюю границу возраста всего мироздания.
Методы
Учёные взяли каталог из 247 103 звёзд, для которых в обзоре LAMOST были получены высококачественные спектры, а космический телескоп Gaia измерил точные параллаксы. Возраст каждой звезды определялся байесовским сравнением её температуры и светимости с эволюционными треками (изохронами) для разных содержаний гелия и углерода. Чтобы отсеять звезды с ошибочными оценками, применили хитроумные популяционные фильтры: например, по химическому составу — древние звёзды должны быть бедны железом и обогащены α-элементами, рождёнными во взрывах сверхновых. Также сравнивали возрасты с независимым определением по данным Gaia. В финальную выборку вошло 155 600 звёзд в пределах 5000 световых лет от Солнца. После этого восстановили скрытое истинное распределение возрастов с помощью итеративного метода и марковских цепей Монте-Карло (MCMC), чтобы учесть неизбежные ошибки измерений.
Результаты
Реконструированное распределение показало резкий спад вероятности к возрасту около 13,73 млрд лет. Эта величина и была принята за возраст древнейшей звезды выборки: А★ = 13,73+0,18/–0,15 млрд лет. Добавив 0,2 млрд лет на образование первых звёзд, получаем возраст Вселенной примерно 13,93 млрд лет. Это число с высокой точностью совпадает с предсказанием стандартной ΛCDM: 13,8 млрд лет. В то же время значение, ожидаемое в моделях «ранней» новой физики (12,9 млрд лет), отличается от измеренного почти на 0,8 млрд лет, что соответствует расхождению более чем в 3σ. Даже при намеренно заниженных критериях отбора минимальный возраст древнейшей звезды составил 13,31 млрд лет — всё ещё слишком много для «ранних» решений хаббловской напряжённости. Анализ контрольной выборки из 1556 звёзд с химическими признаками самых первых поколений дал близкую оценку: 13,85 млрд лет. Таким образом, результат устойчив к методам и критериям, а Вселенная явно успела состариться к нашему времени.
Значение
Полученный возрастной рубеж ставит под сомнение целый класс объяснений хаббловской напряжённости, привлекающих новую физику до эпохи рекомбинации, — например, дополнительные реликтовые частицы или переменное гравитационное взаимодействие. Чтобы одновременно «омолодить» Вселенную до 12,9 млрд лет и не вступить в противоречие с нашими данными, пришлось бы предполагать слишком малый интервал между Большим взрывом и возникновением первых звёзд, что плохо согласуется с наблюдениями самых далёких галактик. Следовательно, разрешение парадокса Хаббла, вероятно, следует искать в поздней Вселенной — например, в локальных неоднородностях (галактических войдах) или модифицированной гравитации. Для стандартной модели ΛCDM и её компонентов — тёмной материи и тёмной энергии — результат служит дополнительным подтверждением.
Развитие
Дальнейшее уточнение возраста старейших звёзд связано с совершенствованием моделей звёздной эволюции, особенно в части перемешивания вещества в недрах и обилия гелия, а также с использованием новых наблюдательных данных. Будущие обзоры, включая космический телескоп Джеймса Уэбба, позволят обнаружить ещё более древние маломассивные звёзды, а методы спектроскопии высокого разрешения уточнят химический состав. Кроме того, развитие астросейсмологии даст возможность прямо измерять возрасты отдельных звёзд-«мафусаилов». Всё это снизит систематические погрешности и, возможно, позволит различить конкурирующие поздние космологические сценарии.
Влияние
Результаты непосредственно затрагивают космологию ранней Вселенной и фундаментальные вопросы о природе тёмной материи и тёмной энергии. Они важны и для галактической археологии, изучающей историю формирования Млечного Пути, и для теории сверхновых, определяющих химическую эволюцию.
Следующие шаги
Исследователи планируют переобработать данные с использованием новейших изохрон (например, MIST II вместо YY) и включить астросейсмологические возраста, чтобы уменьшить систематические неопределённости. Также предполагается расширить выборку за счёт более далёких звёзд с надёжными параллаксами от будущих релизов Gaia.
Ключевые проблемы
Измеренный возраст древнейших звёзд напрямую связан с хаббловской напряжённостью и ограничивает теории тёмной энергии и тёмной материи, поскольку они определяют темп расширения Вселенной на протяжении всей её истории. Он также проливает свет на процессы в эпоху после Большого взрыва, когда зажигались первые светила, обогащая космос гелием и углеродом.
🎯 Самая старая звезда в этом исследовании — типичный субгигант массой около 0,8 солнечной, который провёл в спокойном «среднем возрасте» (на главной последовательности) более 13 миллиардов лет и лишь недавно начал раздуваться, готовясь стать красным гигантом. Можно сказать, что мы поймали его в момент, когда он только собрался на «пенсию»!
🎬 В романе «Тау Ноль» Пола Андерсона космический корабль разгоняется до субсветовой скорости, и экипаж наблюдает, как за бортом проносятся миллиарды лет — для путешественников время почти останавливается, а Вселенная стареет. Наша работа напоминает, что, даже не покидая окрестностей Солнца, можно заглянуть в глубокое прошлое мироздания, и для этого достаточно внимательно изучить звёздные «ископаемые».
Ключевые числа
- A★: 13.73 +0.18 / -0.15 Gyr
- Возраст Вселенной (ΛCDM): 13.8 Gyr
- Возраст Вселенной (ранние решения): 12.9 ± 0.18 Gyr
- Размер выборки: 155 600 звёзд
- Расстояние до звёзд: < 5 кпк (около 16 000 световых лет)