Da li je zvezda Metuzalem zaista starija i od samog svemira?

Foto: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi

Prema svim naučnim dokazima Veliki prasak dogodio se pre 13,8 milijardi godina sa greškom od približno jednog procenta. Međutim, naučnici znaju kako zvezde funkcionišu, znaju njihove životne cikluse, na osnovu čega su astronomi procenili starost zvezde Metuzalem na 14,5 milijardi godina, što bi značilo da je starija od samog kosmosa,  piše Big think.

Jasno je da ne može da postoji zvezda u svemiru koja je starija od samog svemira, pa se zato postavlja pitanje gde je greška? Da li je u proračunima starosti zvezde, ili starosti svemira ili je nešto treće po sredi?

Preporučujemo

Od kada je ljudi i njihovog divljenja svemirskom prostranstvu, postavljala su se pitanja o njegovoj suštini, konačnosti ili beskonačnosti i kada je nastao. Tokom 20.  i 21. veka sva ova pitanja su postala naučna, i danas imamo najbolje moguće odgovore na njih. Danas, sa sigurnošću možemo tvrditi da je svemir nastao u Velikom prasku pre 13,8 milijardi godina. Ako bi smo bili u mogućnosti da se vratimo kroz vreme, videli bi smo da je rani svemir bio daleko drugačije mesto. Moderne zvezde i galaksije su nastale gravitacionim privlačenjem malih konglomerata koji su sami predstavljali mlade „devičanske“ zvezde. U još ranijem periodu nije ni bilo zvezda ni galaksija, čak ni stabilnih atomskih jezgara niti neutralnih atoma. Danas astronomi i astrofizičari kažu da je procenat greške u starosti svemira ne veći od jednog procenta, što je zaista neverovatno postignuće.

Međutim, tu je i drugi deo kosmičke priče koji se tiče astronomskog istraživanja zvezda. Ako znate kako zvezda funkcioniše, onda bi jednostavnim posmatranjem fizičkih svojstava zvezda koje vidimo mogli utvrditi njihove starosti i vreme kada su se „rodile“. Iako zvezde prolaze kroz širok dijapazon promena tokom života uključujući promene njihovog prečnika, luminoznosti i temperature, samo dva svojstva determinišu starost zvezda, njihova masa i metaličnost. Metaličnost nam daje podatke o tome koliko zvezda sadrži drugih težih elemenata osim vodonika i helijuma.

Najstarije pronađene zvezde su skoro cele od vodonika i helijuma, i njihova starost može preći 13 milijardi godina. Međutim, procenjena starost zvezde Metuzalem prevazilazi 14 milijardi godina! Kako zvezda može biti starija od svemira? Evo šta može biti po sredi.

Starost kosmosa

Kosmološki metodi za određivanje starosti svemira su najmoćniji i najuniverzalniji alat koji posedujemo, i koji se savršeno dobro uklapa u sva osmatranja svemira kakvog znamo. Ovaj metod datira još iz 1920.-ih, kada su prvi put dati dokazi o širenju svemira. U fizici kad god otkrijete jednačinu koja vam kaže kako se sistem menja tokom vremena, onda sve što vam je potrebno je da znate šta sistem radi u datom momentu u vremenu, i možete ga menjati bilo u prošlost, bilo u budućnost. Dokle god se sadržaj sistema i zakoni fizike ne menjaju dobićete tačan odgovor.

Ove jednačine nam kažu da dokle god je svemir ispunjen „nečim“, on ne može biti statičan i nepromenjen, već se mora širiti ili skupljati. Dalje, način na koji se stopa širenja (ili sakupljanja) menja u odnosu na vreme zavisi od samo dve stvari, koliko je brza ta stopa u nekom trenutku, na primer danas, i čime je svemir ispunjen u tom datom trenutku.

U prvim danima kosmologije kao nauke, postojala je šala da je „Kosmologija potraga za dva broja“, odnosno današnja stopa širenja svemira i promena te stope tokom vremena. Ovo je bazirano na činjenici da ako Fridmanove jednačine opisuju svemir merenjem, stope širenja svemira (odnosno Hablovog parametra), i promene stope širenja, onda bi smo mogli da precizno utvrdimo sadržaj svemira, i to ne samo sada, već u bilo kom trenutku kosmičke istorije.

Jednostavno rečeno, znali bismo koliko je materija u svemiru, koliki je udeo tamne materije, koliko je zračenje, udeo neutrina i tamne energije. Ovo je dobar i neposredan put, jer se njime ogledaju dve strane Fridmanove jednačine: širenje i promena širenja svemira tokom vremena s jedne i gustina materije i energije svega u svemiru na drugoj strani.

U suštini merenje parametara jedne strane jednačine nam kazuje šta mora da se nalazi sa druge strane. Onda možete koristiti to znanje i primeniti ga na mladi kosmos kada je on bio male zapremine, gust i vreo, što odgovara najranijim trenucima Velikog praska. Vreme koje je potrebno da bi od danas došli do te tačke je starost svemira.

U praksi, mi ne uzimamo dokaze koji nas direktno upućuju na odgovore, i kažemo da je problem rešen, jer ako bi smo to radili, postali bi žrtve najrazličitijih grešaka, statističkih i sistematskih koje mogu da nastanu iz bilo kog merenja. Kako bismo poboljšali naše odgovore, koristimo nizove dokaza koji moraju biti komplementarni. Sa velikim brojem ovakvih „nizova“, astronomi pokušavaju da stvore konzistentnu sliku svemira koji uključuje sva naša saznanja o njemu. Neki od ovih nizova su posebno zanimljivi.

Ukupna struktura svemira nam govori o kompletnoj količini materije u njemu (oko 30% kritične gustine), kao i o odnosu materije prema tamnoj materiji (otprilike 1/5). Fluktuacije kosmičke mikrotalasne pozadine su u vezi sa brzinom širenja svemira u odnosu na niz komponenata svemira uključujući ukupnu gustinu energije koja se mora dodati na približno 100 procenata kritične gustine.

Neposredna merenja pojedinačnih objekata poput supernova tipa Ia na različitim daljinama i pri različitim crvenim pomacima nas uče o stopi širenja svemira danas, i mogu nam pomoći da oderdimo kako se ova stopa širenja menjala tokom vremena.

Ono šta smo ustanovili je da se svemir danas širi brzinom od ~70 km/s/Mpc, da je sačinjen od 68% tamne energije, 27% tamne materije, 4.9% materije, 0.1% neutrina, i manje od 0.01% svega drugog, poput zračenja, crnih rupa, zakrivljenja prostora, i svih drugih egzotičnih oblika energije koja nije navedena.

Kada složimo sve ove kockice, uključujući i stepen širenja danas i poznate komponenete, dobijamo precizan odgovor o starosti svemira: 13.8 milijardi godina.

Možda će vas iznenaditi da su svi ovi parametri u međusobnoj vezi. Ako ste čuli za Hablovu tenziju, onda znate da različite grupe astronoma koriste različite metode da bi dobili različite vrednosti o stopi širenja svemira danas. Ako je stopa širenja ~73 km/s/Mpc, kako tvrde grupe naučnika koje koriste modernije metode, nasuprot onima koji koriste starije metode i čija merenja kažu da je stopa ~67 km/s/Mpc, to znači da se svemir širi 9% brže nego nego što preferirana vrednost kaže.

Međutim, čak ni ovo ne može promeniti starost svemira za 9%. Kako bi zadovoljili i druga ograničenja, morali bi smo promeniti i sastav svemira. Brže šireći svemir bi zahtevao više tamne energije i manje ukupne materije, što bi za posledicu imalo smanjenje starosti svemira za ~1% a ne za ~9%. Dok mnogi različiti skupovi parametara mogu da odgovaraju podacima iz, recimo, kosmičke mikrotalasne pozadine, većina modela zahteva nerealne vrednosti parametara kao što je preniska stopa ekspanzije ili velika količina prostorne zakrivljenosti, što je u suprotnosti sa zapažanjima.

Starost zvezda

Izjava sa kojom će se svi saglasiti je da: „ako je svemir star 13,8 milijardi godina, onda je bolje da ne pronađemo zvezde starije od toga“.

Problem sa ovim je što je veoma teško precizno odrediti starost zvezda, ma kako god ih precizno merili i osmatrali.

Naravno o zvezdama do sada znamo svašta, koja su njihova svojstva i kada se pokrenula njihova nuklearna fuzija u jezgru, kako njihov životni ciklus zavisi od odnosa elemenata sa kojima su „rođene“, koliko su im dugi životi i kako dužina njihovog života zavisi od njihove inicijalne mase i  kako se zvezde razvijaju tokom sagorevanja njihovog nuklearnog goriva u različitim stadijumima. Ako možemo dovoljno precizno izmeriti zvezdu, što je moguće za većinu zvezda u Mlečnom putu, tada je moguće pratiti životni ciklus zvezde do trenutka njihovog nastajanja.

Sve ovo je istina za prosečnu zvezdu koja nije imala nikakvu drugu interakciju ili stapanje sa drugim masivnim objektom tokom svog života. Zvezde i zvezdani ostaci umeju da učine neke prilično neugodne stvari sebi ili drugima, poput odbacivanja spoljašnjih slojeva, čineći zvezdu da izgleda razvijenijom nego što jeste. Višestruke zvezde se mogu spojiti čineći da novonastala zvezda izgleda mlađe. Takođe, stelarne interakcije uključujući i one sa međuzvezdanim medijumom mogu promeniti odnos elemenata remeteći našu percepciju o starosti zvezde. Jednostavno rečeno, izgled zvezde danas, nije nužno reprezentativna predstava istorije zvezde od više milijardi godina.

Kako bi smo načinili preciznija merenja, ne uzimamo u obzir pojedinačne stare zvezde, već posmatramo globularne klastere, zvezdana jata koja sadrže neke od najstarijih zvezda.

Globularni klastere postoje unutar i oko svake velike galaksije. Neke galaksije ih mogu imati ne više od stotinak, poput Mlečnog puta, dok neke poput M87 u klasteru Device imaju više od 10000. Svaki klaster se sastoji od zvezda koje se međusobno održavaju gravitacijom i variraju u broju. Neki klasteri mogu imati desetinak hiljada, a neki više miliona zvezda. Svaka zvezda u klasteru ima svoju boju i luminoznost (ukupnu energiju koju zvezda emituje za jednu sekundu na svim talasnim dužinama). Ove dve karakteristike su lako merljive za zvezde u našoj galaksiji i za mnoge zvezde izvan nje. Kada se izmere ove dve karakteristike za zvezde unutar klastera, na Hercšprung-Raselovom dijagramu dobijemo krivu koja ide od dole desno za crvene zvezde niske luminoznosti ka gore levo za plave zvezde visoke luminoznosti.

Ove krive na ovom dijagramu su važne jer sve zvezde unutar klastera stare i kako plave zvezde troše svoje gorivo tokom vremena, njihovo jezgro se smanjuje i zgušnjava, a zvezda počinje da „natiče“, i kreće na put koji će je dovesti do crvenog džina. Što vreme više prolazi, to je manje popunjen deo dijagrama koji pokazuje plave visoko luminozne zvezde.

Kada posmatramo klastere otkrivamo različite starosti zvezda, ali unutar 12+ do 13+ milijardi godina. Najznačajnije je što nema starijih.

Pojedinačne zvezde

Kada posmatramo svemir, moramo shvatiti da su naši metodi pristupa validni samo pod određenim uslovima, koji podrazumeva da nije bilo velikih i naglih promena, pri kojima se različiti tipovi energije ne bi promenili u jednom trenutku u vremenu. Slično tome, kada su zvezde u pitanju, mi imamo samo trenutni pogled na njih i njihovo ponašanje tokom datog vremena, godina, decenija ili u najboljem slučaju vekova. Međutim, zvezde žive milijardama godina, što znači da vreme za koje ih posmatramo je samo treptaj oka u njihovim životima, i da su mnoge zvezde imale silovite ili „zagađujuće“ egekte tokom života, koje mi još nismo ugledali.

Merenjima zvezde HE 1523–0901, koja je otprilike 80% sunčeve mase i sadrži samo 0,1% sunčevog gvožđa, naučnici su procenili starost zvezde na 13,2 milijarde godina na osnovu obilja radioaktivnih elemenata. Posmatranja devet zvezda u blizini Mlečnog puta 2015. godine su datirana na 13,5 milijardi godina, svega 300 miliona godina nakon Velikog praska, i inicijalnog formiranja naše galaksije. Luiza Hauers, saradnik pri otkrivanju ovih drevnih relikvija kaže: „Ove zvezde su se formirale pre Mlečnog puta, i galaksija se formirala oko njih“. Zapravo jedna od ovih devet zvezda sadrži manje od 0.001% sunčevog gvožđa, tačno ona kategorija za koju se astronomi nadaju da će JWST pronaći u većem broju.

Metuzalem lično

Zvezda koja najviše zbunjuje je HD 140283, nezvanično nazvana Metuzalem. Pošto je udaljena od nas svega 190 svetlosnih godina, u stanju smo da lepo izmerimo njena svojstva poput luminoznosti, temperature površine i sastava.

Takođe primećujemo da to nije više dominantna plavičasta zvezda iz dijagrama već je otpočeo njen neminovni ciklus transformacije ka crvenom džinu. Ovi podaci nas navode na jasan rezultat u pogledu starosti ove zvezde, koji je u najmanju ruku uznemirujuć: 14,46 milijardi godina! Ipak, neke od drugih njenih karakteristika, poput sadržaja sunčevog gvožđa od 0,4%, upućuju nas da je to veoma stara zvezda, ali ipak ne „devičanska“. Ono što se često izbegava u diskusijama kada je u pitanju starost ove zvezde je ključna informacija. Naime postoji velika nesigurnost u pogledu njene starosti od oko 800 miliona godina, i to je samo na nivou poverenja od 68%.Bottom of Form

Ova vrednost i dalje utvrđuje starost Metuzalema suviše rano za očekivanja, što ukazuje na moguću nesaglasnost između starosti ove zvezde i starosti kosmosa. Međutim postoji 20% mogućnosti da je zvezda zapravo mlađa od svemira, što znači da neslaganje uopšte ne postoji. Utvrđivanje vrednosti je jedna stvar, a smanjenje neizvesnosti u dovoljnoj meri tako da budete sigurni da je vrednost do koje ste došli tačna nešto je sasvim drugo.

Naravoučenije je da nikad ne treba biti suviše siguran u starost pojedine zvezde. Moramo biti svesni da svako takvo merenje podrazumeva veliki stepen nesigurnosti što je dodatno pogoršano našim nepoznavanjem istorije tih zvezdanih sistema. Na primer, takozvani Metuzalem može biti u mnogo čemu neobičan, jer bi njegovu starost trebalo da procenimo na 14,5 milijardi godina, a to je 700 miliona godina starije od samog svemira. Ali u toj proceni ima mnogo nepoznanica od skoro milijarde godina što znači da bi najjednostavnije usklađivanje tih činjenica bilo da pretpostavimo da je Metuzalem stara zvezda, ali da izgleda starije nego što to jeste zbog istorijskih događa za koje više ne postoje dokazi.

Od pojedinačnih zveda i zvezdanih jata do ukupnih svojstava našeg sve šireg svemira, možemo da izvedemo vrlo pouzdanu procenu starosti svemira na 13,8 milijardi godina. Ako bismo pokušali da pretpostavimo da je svemir mlađi ili stariji samo koju stotinu miliona godina, naišli bismo nepremostive prepreke zbog nepodudarnosti podataka. Ako bi se pretpostavilo da je svemir mlađi, ne bismo imali objašnjenje za postojanje najstarijih globularnih klastera, a da je svemir stariji ne bi bilo objašnjenja zašto nema globularnih klastera koji su još stariji.

U međuvremenu, u pretpostavke o znatno mlađem ili starijem svemiru ne uklapaju se fluktuacije mikrotalasne kosmičke pozadine (CMB). Jednostavno rečeno, ima suviše malo prostora za greške u vezi sa starošću svemira.

Međutim, lako je pogrešiti pri proceni starosti pojedinačne zvezde. Naučnicima je od ogromnog značaja da istraže svaki aspekt naših dosadašnjih saznanja. To nam pomaže da se uverimo da je ono što do sada znamo o svemiru pouzdano, ali nam takođe pomaže da istražimo i druge alternative. Možemo pokušati da izgradimo model daleko mlađeg ili starijeg svemira, ali kosmički signali i i naša merenja zvezdanih populacija ukazuju da je manevarski prostor veoma mali - otprilike 1%. Ali greške prilikom procene starosti pojedinačnih zvezda su često velike. Po svemu sudeći, Metuzalem ne dovodi u pitanje starost svemira, već pre pokazuje ograničenja za izvođenje zaključaka samo na osnovu jedne vrste posmatranja. Ova konkretna zvezda, bez obzira koliko smo stručni u astronomiji, jednostavno nosi sa sobom suviše nepoznanica.

(Telegraf Nauka / Big think)