Od dziesięcioleci astronomowie starają się precyzyjnie odpowiedzieć na jedno z najbardziej fundamentalnych pytań: jak stary jest Wszechświat? Choć dysponujemy zaawansowanymi modelami matematycznymi i potężnymi teleskopami, współczesna kosmologia znalazła się w kropce. Problem ten, znany jako napięcie Hubble’a, wynika z faktu, że różne metody pomiarowe dają sprzeczne wyniki dotyczące tempa ekspansji kosmosu. Najnowsze badania zespołu z Uniwersytetu w Bolonii oraz Instytutu Astrofizyki w Poczdamie (AIP), opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”, proponują jednak świeże spojrzenie na ten spór. Zamiast skupiać się wyłącznie na ucieczce galaktyk, naukowcy postanowili zajrzeć do naszego własnego podwórka – Drogi Mlecznej – i wykorzystać najstarsze gwiazdy jako precyzyjne zegary.
Aby zrozumieć wagę nowego odkrycia, należy najpierw przyjrzeć się naturze problemu. Stała Hubble’a (H0) określa tempo, w jakim Wszechświat rozszerza się w danej chwili. Istnieją dwie główne drogi jej wyznaczania. Pierwsza opiera się na analizie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB), czyli echa Wielkiego Wybuchu sprzed ponad 13 miliardów lat. Model ten sugeruje wolniejszą ekspansję i starszy wiek Wszechświata (około 14 miliardów lat). Druga metoda wykorzystuje tzw. świece standardowe – cefeidy i supernowe typu Ia – w lokalnym Wszechświecie. Wyniki z tych pomiarów wskazują na znacznie szybszą ekspansję, co implikuje, że kosmos jest młodszy i ma około 13 miliardów lat. Ta rozbieżność nie jest jedynie błędem statystycznym; to fundamentalny problem, który sugeruje, że w naszym standardowym modelu kosmologicznym brakuje jakiegoś istotnego elementu.
Przekładając prędkość na czas
Badacze z Bolonii i Poczdamu postanowili zmienić ramy debaty. Zamiast spierać się o kilometry na sekundę na megaparsek, przetłumaczyli problem na język czasu. W ramach standardowego modelu kosmologicznego wiek Wszechświata jest ściśle powiązany z tempem jego rozszerzania się: wyższa wartość stałej Hubble’a oznacza młodszy Wszechświat, a niższa – starszy. Wykorzystując tę zależność, naukowcy uznali, że znalezienie dolnej granicy wieku Wszechświata pozwoli rozstrzygnąć, który z pomiarów stałej Hubble’a jest bliższy prawdy. Zasada jest prosta: Wszechświat nie może być młodszy niż najstarsze obiekty, które się w nim znajdują. Jeśli znajdziemy gwiazdy mające 13,6 miliarda lat, teoria o 13-miliardowym Wszechświecie musi zostać odrzucona lub gruntownie zrewidowana.
Archeologia galaktyczna w służbie kosmologii
Kluczem do przeprowadzenia tych badań stała się misja Gaia prowadzona przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). Gaia dostarcza bezprecedensowo dokładnych danych na temat pozycji, odległości (poprzez pomiar paralaksy) oraz parametrów spektralnych milionów gwiazd w naszej Galaktyce. Dzięki trzeciemu zbiorowi danych (DR3), zespół badawczy mógł przeprowadzić niezwykle rygorystyczną selekcję. Z katalogu liczącego ponad 200 000 obiektów wyłoniono grupę około 100 najstarszych, „czystych” gwiazd Drogi Mlecznej. Do analizy ich wieku wykorzystano zaawansowany kod StarHorse, który łączy dane fotometryczne, spektroskopowe i astrometryczne, pozwalając na wyznaczenie parametrów gwiazdowych z nieosiągalną wcześniej precyzją.
Werdykt: Gwiazdy potwierdzają starszy kosmos
Analiza wykazała, że najbardziej prawdopodobny wiek badanych gwiazd to 13,6 miliarda lat. Wynik ten ma kolosalne znaczenie dla debaty o napięciu Hubble’a. Taki wiek gwiazd jest niemal całkowicie niekompatybilny z „młodym” Wszechświatem sugerowanym przez pomiary oparte na cefeidach i supernowych (chyba że dopuścimy drastyczne zmiany w innych parametrach fizycznych). Jednocześnie wynik ten doskonale wpisuje się w ramy czasowe wynikające z obserwacji promieniowania tła (CMB). Oznacza to, że metoda lokalna – choć precyzyjna w swoich założeniach – może być obarczona systematycznymi błędami lub nasza interpretacja ewolucji gwiazdowej i odległości w lokalnym Wszechświecie wymaga korekty.
Przyszłość i nowe misje
Choć badanie to dostarcza silnych dowodów na rzecz starszego modelu Wszechświata, naukowcy podkreślają, że to dopiero początek drogi. Jak zauważa Elena Tomasetti z Uniwersytetu w Bolonii, główna autorka pracy, żyjemy w erze, w której ilość i jakość danych pozwala na stosowanie metod statystycznych wcześniej niemożliwych do wdrożenia. Kolejnym krokiem będzie publikacja czwartego zbioru danych z misji Gaia (DR4), który jeszcze bardziej zawęzi niepewności pomiarowe. Co więcej, na horyzoncie pojawia się koncepcja misji HAYDN, w której projektowaniu bierze udział AIP. Ma ona na celu zakotwiczenie galaktycznej osi czasu z jeszcze większą pewnością, co może ostatecznie zakończyć spór o stałą Hubble’a. Archeologia galaktyczna, zajmująca się badaniem gwiezdnych „skamielin”, stała się tym samym pełnoprawnym laboratorium kosmologicznym, pozwalającym testować prawa rządzące całym Wszechświatem z wnętrza naszej własnej Galaktyki.
Zródło: A&A