Ile lat ma Wszechświat? Nowe badanie wspiera dotychczasowe ustalenia
Wiek Wszechświata oszacowano niezależnie na podstawie analizy ponad 155 tys. starych gwiazd Drogi Mlecznej. Wyniki nowego badania są zgodne ze standardowym modelem kosmologicznym i mogą pomóc wyjaśnić tzw. napięcie Hubble’a.
Napięcie Hubble’a i spór o wiek kosmosu
W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Indranila Banika z University of Portsmouth wykorzystali wiek ponad 155 tys. gwiazd zamieszkujących Drogę Mleczną do niezależnego oszacowania wieku Wszechświata. Wyniki ich badań mogą przemawiać na korzyść standardowego modelu kosmologicznego (Modelu Lambda-CDM). Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.
Jak wskazują astronomowie, wiek kosmosu jest ściśle związany z rozbieżnością określaną jako napięcie Hubble’a (Hubble tension). Tempo rozszerzania się Wszechświata opisuje stała Hubble’a, której wartość można wyznaczyć na dwa główne sposoby.
Pierwsza metoda wykorzystuje mikrofalowe promieniowanie tła (CMB – cosmic microwave background), czyli „poświatę” pozostałą po Wielkim Wybuchu, i prowadzi do jednej wartości. Druga opiera się na lokalnych pomiarach w naszym kosmicznym sąsiedztwie, obejmujących między innymi gwiazdy znane jako cefeidy i supernowe, dając wynik wyraźnie wyższy. Obie metody różnią się o około 9 proc. Ta niezgodność jest właśnie określana mianem napięcia Hubble’a.
Od tego, która wartość jest prawidłowa, zależy także wiek Wszechświata. Jeśli poprawny jest standardowy model kosmologiczny oparty na pomiarach CMB, kosmos ma około 13,8 mld lat. Jeśli jednak tempo rozszerzania wyznaczone na podstawie lokalnych obserwacji obowiązywało przez niemal całą jego historię, obliczenia wskazują na wiek wynoszący jedynie około 12,5–12,9 mld lat.
Astronomowie zaproponowali już wiele wyjaśnień tej rozbieżności. Niektóre hipotezy odwoływały się do nowej fizyki oddziałującej na rozszerzanie się Wszechświata w jego początkach. Inne wskazywały, że źródło rozbieżności jest znacznie późniejsze lub ma charakter lokalny.
Wiek Wszechświata oszacowany na podstawie najstarszych gwiazd
W nowym badaniu naukowcy niezależnie oszacowali minimalny wiek Wszechświata, wykorzystując najstarsze gwiazdy Drogi Mlecznej. Podobnie jak słoje drzew czy skamieniałości pozwalają geologom odtwarzać historię Ziemi, tak stare gwiazdy stanowią swoiste „skamieniałości” kosmosu.
Jeśli astronomowie odkryją gwiazdę liczącą 13 mld lat, oznacza to, że sam Wszechświat musi być nieco starszy, ponieważ pierwsze tego rodzaju obiekty mogły powstać dopiero pewien czas po Wielkim Wybuchu.
Badacze rozpoczęli od analizy 247 103 podolbrzymów, czyli gwiazd, które zakończyły już etap ciągu głównego. Ich wiek można określać z większą dokładnością niż w przypadku wielu innych podobnych obiektów. Dane o tych gwiazdach pochodziły z przeglądów nieba LAMOST i Gaia.
Następnie naukowcy odrzucili gwiazdy, których skład chemiczny nie odpowiadał charakterystyce typowej dla najstarszych obiektów. Po dodatkowej weryfikacji z wykorzystaniem niezależnej metody do analizy pozostało 155 600 obiektów.
Wyniki wspierają standardowy model kosmologiczny
Na podstawie tej próby astronomowie ustalili, że najstarsza z analizowanych gwiazd miała około 13,73 mld lat, z niepewnością wynoszącą około +0,18/-0,15 mld lat. Ich zdaniem wynik ten dobrze zgadza się z wcześniejszymi badaniami opartymi na innych starych gwiazdach i gromadach kulistych oraz z przewidywaniami standardowego modelu kosmologicznego opartego na CMB. Badacze przyjęli przy tym, że gwiazda uformowała się około 200 mln lat (0,2 mld lat) po Wielkim Wybuchu.
Naukowcy podkreślają, że na wynik nadal wpływa pięć głównych źródeł niepewności: wielkość próby, zastosowane kryteria jakościowe, założenia modeli ewolucji gwiazd, skale czasowe ich formowania się oraz przewidywania teoretyczne. Każdy z tych czynników ogranicza dokładność o około 0,15–0,2 mld lat, dlatego poprawa tylko jednego z nich nie pozwoliłaby znacząco zwiększyć precyzji pomiaru.
Co nowe badanie oznacza dla napięcia Hubble’a
Mimo to uzyskany wiek Wszechświata jest wyraźnie wyższy od wartości oczekiwanej, gdyby napięcie Hubble’a wynikało z nowej fizyki oddziałującej przez niemal całą historię kosmiczną. Zamiast tego, jak podkreślają badacze, wyniki przemawiają za scenariuszami, w których przyczyna tej rozbieżności pojawiła się stosunkowo późno.
Zdaniem naukowców może to oznaczać, że tempo rozszerzania się Wszechświata zmieniło się dopiero w ciągu ostatnich kilku miliardów lat. Innym możliwym wyjaśnieniem są lokalne efekty, takie jak obecność rozległej pustki kosmicznej, która sprawia, że lokalne tempo rozszerzania wydaje się sztucznie zawyżone.
Emil Gołoś
