Odkrycia gwiazd starszych niż Wszechświat? Matuzalem i spółka

Najstarsze gwiazdy, jakie znaleźliśmy we Wszechświecie, w nieomal 100% składają się z wodoru i helu pochodzących z czasów zaraz po Wielkim Wybuchu. Gdy okazuje się, że obiekty te są starsze niż 13 miliardów lat, staje się to zastanawiające, choć jeszcze dopuszczalne. Jednak gdy z obserwacji i badań zaczyna wyłaniać się gwiezdny wiek na poziomie nieomal 14,5 miliarda lat, zapala się lampka alarmowa…

Bo przecież sam Wszechświat ma zaledwie niespełna 14 miliardów lat, nieprawdaż?

Początkiem Wszechświata miał być Wielki Wybuch, w którym powstały cała materia, energia, neutrina, fotony, antymateria, ciemna materia, a nawet ciemna energia. Wszystko, co tylko istnieje i zawiera się w naszym obserwowalnym Wszechświecie, jest potomstwem Wielkiego Wybuchu. A potomstwo nie może być starsze niż rodzic.

Jednak pewne fakty zdają się przeczyć powyższym oczywistościom. Pierwszy dotyczy tajemniczej gwiazdy HD 140283 (1), nieformalnie nazwanej Matuzalemem. Położona jest w gwiazdozbiorze Wagi, w odległości ok. 190 lat świetlnych od Ziemi. Należy do typu widmowego F. Ma bardzo niską metaliczność, wynoszącą zaledwie [Fe/H] = −2,40 ± 0,10 (mniej niż 1% metaliczności Słońca), a składa się prawie wyłącznie z wodoru i helu. Ewolucyjnie znajduje się w fazie późnego podolbrzyma w bardzo późnym stadium rozwoju i zaczyna stopniowo przemieniać się w czerwonego olbrzyma.

Bardzo niska, ale niezerowa metaliczność gwiazdy świadczy o tym, że należy ona do gwiazd drugiej populacji. Pierwsze gwiazdy, które uformowały się tuż po Wielkim Wybuchu (gwiazdy trzeciej populacji) składały się wyłącznie z helu i wodoru. Czas życia dużych gwiazd był bardzo krótki i wynosił zaledwie kilka milionów lat, po czym obiekty te eksplodowały jako supernowe, rozrzucając po Wszechświecie wytworzone w ich wnętrzach metale (pierwiastki cięższe od helu i wodoru). HD 140238 powstała tuż po takiej eksplozji, kiedy we Wszechświecie metale już występowały, ale ich stężenie było jeszcze bardzo małe. Narodziła się w jednej z pierwotnych galaktyk karłowatych, zniszczonych w wyniku zderzenia z Drogą Mleczną ponad 12 mld lat temu.

Wiek HD 140238 szacowany jest na 14,46 ± 0,8 mld lat. Naukowcy zazwyczaj przechodzili nad tym datowaniem do porządku dziennego, uważając, że znajduje się ono w granicach błędu, wynoszących plus minus 800 mln lat.

Takie tłumaczenie można oczywiście dopuścić, wciąż jednak powstanie Matuzalema sytuuje się niekomfortowo wcześnie w odniesieniu do datowania ewolucji Wszechświata – a pamiętajmy, że obiekt należy do wcale nie najstarszej populacji gwiazd. Istnieją teorie, że w jego historii musiało zajść coś niezwykłego, jakaś katastrofa, która sprawiła, że obserwacje wykazują tak niezwykłe parametry.

W ciągu ostatnich dekad słyszeliśmy jednak o jeszcze bardziej sensacyjnych wynikach. Dwóch amerykańskich astrofizyków, Craig Hogan i Michael Bolte, opublikowało kilkanaście lat temu rezultaty obserwacyjnego pomiaru wieku bardzo starych gwiazd skupionych w tzw. gromadach kulistych. Ku zdumieniu większości naukowców okazało się, iż sięga on 16 mld lat!

Rzecz jasna, możliwe, że źle szacujemy wiek Wszechświata. Według współczesnych ustaleń wynosi on ok. 13,82 mld lat (dane z misji Planck z 2013 r.), a dokładniejsze szacunki podają liczbę 13,799 ± 0,021 mld lat.

W pomiarach wieku Uniwersum istotna jest kwestia gęstości materii.

Jeśli Wszechświat jest wystarczająco gęsty, to - po pierwsze - jego ewolucja zachodzi szybciej, a po drugie, po pewnym czasie ekspansja się zatrzyma i Wszechświat zacznie się kurczyć do stanu pierwotnego.

Jeśli zaś jest niezbyt gęsty, to ewoluuje wolniej i będzie się rozszerzać wiecznie. Graniczna wartość gęstości materii oddzielająca Wszechświat "rzadki" od "gęstego" nazywa się gęstością krytyczną i wynosi ok. 10^-29 g/cm³. Wyznaczenie gęstości Wszechświata okazuje się jednak jeszcze trudniejsze niż jego wieku – z tej prostej przyczyny, że większość materii we Wszechświecie pozostaje niewidoczna (nie wysyła żadnego promieniowania).

Drugi ważny parametr służący do ustalania wieku Wszechświata stanowi stała Hubble'a. Aby ją wyznaczyć, trzeba dokładnie zmierzyć prędkość, z jaką obiekty we Wszechświecie oddalają się od nas, oraz odległość, jaka nas od nich dzieli. Do pomiaru odległości wykorzystuje się gwiazdy zwane cefeidami, które regularnie zmieniają swoją jasność, przy czym okres tych zmian jest ściśle związany z ilością emitowanego przez nie światła. Obserwując cefeidy w odległych galaktykach i korzystając z pewnych założeń teoretycznych, można wyznaczyć odległości tych galaktyk od Ziemi.

Model Wszechświata

Spór o wiek Wszechświata i wiek gwiazd trwa od wielu lat i zdaniem niektórych skończy się kompromisem, czyli uznaniem, że gwiazdy są w rzeczywistości nieco młodsze, niż nam to wychodzi z obliczeń, a Wszechświat nieco starszy, niż dziś sądzimy.

Zresztą nie tylko wiek gwiazd zadziwia. Intrygująco "wiekowe" potrafią być także planety, które są przecież kolejną generacją ciał kosmicznych, rodzącą się po gwiazdach. Kilka lat temu zespół astronomów i astrofizyków opracowujących dane obserwacyjne z kosmicznego teleskopu Keplera, pod kierownictwem Tiago Campante z Uniwersytetu w Birmingham, odkrył, że w układzie gwiazdy KOI-3158, znajdującej się 117 lat świetlnych od Ziemi w Gwiazdozbiorze Lutni, krąży aż pięć planet tzw. ziemiopodobnych mających ponad 11 mld lat.

Jeszcze starsze są planety (już nie "ziemiopodobne") krążące w układzie PSR B1620-26 - gwiazdy podwójnej oddalonej o ok. 12 400 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Skorpiona. Para ta jest złożona z pulsara oraz białego karła. W systemie tym odkryto także planetę pozasłoneczną PSR B1620-26 b, również nazwaną Matuzalemem i okrążającą obydwie gwiazdy. Cały system jest umiejscowiony w gromadzie gwiazd Messier 4. Wiek wszystkich trzech ciał został oszacowany na ok. 12,7 mld lat.