Međutim, naučnici znaju kako zvijezde funkcionišu, znaju njihove životne cikluse, na osnovu čega su astronomi procijenili starost zvijezde 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 zvijezda u svemiru koja je starija od samog svemira, pa se zato postavlja pitanje gdje je greška? Da li je u proračunima starosti zvijezde, ili starosti svemira ili je nešto treće po srijedi?
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. vijeka 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 prije 13,8 milijardi godina. Ako bi smo bili u mogućnosti da se vratimo kroz vrijeme, vidjeli bi smo da je rani svemir bio daleko drugačije mjesto. Moderne zvijezde i galaksije su nastale gravitacionim privlačenjem malih konglomerata koji su sami predstavljali mlade “djevičanske” zvijezde. U još ranijem periodu nije ni bilo zvijezda 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 nevjerovatno postignuće.
Međutim, tu je i drugi dio kosmičke priče koji se tiče astronomskog istraživanja zvijezda. Ako znate kako zvijezda funkcioniše, onda bi jednostavnim posmatranjem fizičkih svojstava zvijezda koje vidimo mogli utvrditi njihove starosti i vrijeme kada su se “rodile”. Iako zvijezde prolaze kroz širok dijapazon promjena tokom života uključujući promjene njihovog prečnika, luminoznosti i temperature, samo dva svojstva determinišu starost zvijezda, njihova masa i metaličnost. Metaličnost nam daje podatke o tome koliko zvijezda sadrži drugih težih elemenata osim vodonika i helijuma.
Najstarije pronađene zvijezde su skoro cijele od vodonika i helijuma, i njihova starost može preći 13 milijardi godina. Međutim, procijenjena starost zvijezde Metuzalem prevazilazi 14 milijardi godina! Kako zvijezda može biti starija od svemira? Evo šta može biti po srijedi.
Starost kosmosa
Kosmološki metodi za određivanje starosti svemira su najmoćniji i najuniverzalniji alat koji posjedujemo, 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 mijenja tokom vremena, onda sve što vam je potrebno je da znate šta sistem radi u datom momentu u vremenu, i možete ga mijenjati bilo u prošlost, bilo u budućnost. Dokle god se sadržaj sistema i zakoni fizike ne mijenjaju dobićete tačan odgovor.
Ove jednačine nam kažu da dokle god je svemir ispunjen “nečim”, on ne može biti statičan i nepromijenjen, već se mora širiti ili skupljati. Dalje, način na koji se stopa širenja (ili sakupljanja) mijenja u odnosu na vrijeme zavisi od samo dvije stvari, koliko je brza ta stopa u nekom trenutku, na primjer 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 promjena te stope tokom vremena. Ovo je bazirano na činjenici da ako Fridmanove jednačine opisuju svemir mjerenjem, stope širenja svemira (odnosno Hablovog parametra), i promjene 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 udio tamne materije, koliko je zračenje, udio neutrina i tamne energije. Ovo je dobar i neposredan put, jer se njime ogledaju dvije strane Fridmanove jednačine: širenje i promjena širenja svemira tokom vremena s jedne i gustina materije i energije svega u svemiru na drugoj strani.
U suštini mjerenje parametara jedne strane jednačine nam kazuje šta mora da se nalazi sa druge strane. Onda možete koristiti to znanje i primijeniti ga na mladi kosmos kada je on bio male zapremine, gust i vreo, što odgovara najranijim trenucima Velikog praska. Vrijeme 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 riješen, jer ako bi smo to radili, postali bi žrtve najrazličitijih grešaka, statističkih i sistematskih koje mogu da nastanu iz bilo kog mjerenja. 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 mjerenja 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 odredimo kako se ova stopa širenja mijenjala 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 komponente, 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 vrijednosti 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 mjerenja kažu da je stopa ~67 km/s/Mpc, to znači da se svemir širi 9% brže nego što preferirana vrijednost kaže.
Međutim, čak ni ovo ne može promijeniti starost svemira za 9%. Kako bi zadovoljili i druga ograničenja, morali bi smo promijeniti i sastav svemira. Brže šireći svemir bi zahtijevao više tamne energije i manje ukupne materije, što bi za posljedicu 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 zahtijeva nerealne vrijednosti parametara kao što je preniska stopa ekspanzije ili velika količina prostorne zakrivljenosti, što je u suprotnosti sa zapažanjima.
Starost zvijezda
Izjava sa kojom će se svi saglasiti je da: “ako je svemir star 13,8 milijardi godina, onda je bolje da ne pronađemo zvijezde starije od toga”.
Problem sa ovim je što je veoma teško precizno odrediti starost zvijezda, ma kako god ih precizno mjerili i osmatrali.
Naravno o zvijezdama 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 zvijezde razvijaju tokom sagorijevanja njihovog nuklearnog goriva u različitim stadijumima. Ako možemo dovoljno precizno izmjeriti zvijezdu, što je moguće za većinu zvijezda u Mliječnom putu, tada je moguće pratiti životni ciklus zvijezde do trenutka njihovog nastajanja.
Sve ovo je istina za prosječnu zvijezdu koja nije imala nikakvu drugu interakciju ili stapanje sa drugim masivnim objektom tokom svog života. Zvijezde i zvjezdani ostaci umiju da učine neke prilično neugodne stvari sebi ili drugima, poput odbacivanja spoljašnjih slojeva, čineći zvijezdu da izgleda razvijenijom nego što jeste. Višestruke zvijezde se mogu spojiti čineći da novonastala zvijezda izgleda mlađe. Takođe, stelarne interakcije uključujući i one sa međuzvjezdanim medijumom mogu promijeniti odnos elemenata remeteći našu percepciju o starosti zvijezde. Jednostavno rečeno, izgled zvijezde danas, nije nužno reprezentativna predstava istorije zvijezde od više milijardi godina.
Kako bi smo načinili preciznija mjerenja, ne uzimamo u obzir pojedinačne stare zvijezde, već posmatramo globularne klastere, zvjezdana jata koja sadrže neke od najstarijih zvijezda.
Globularni klastere postoje unutar i oko svake velike galaksije. Neke galaksije ih mogu imati ne više od stotinak, poput Mliječnog puta, dok neke poput M87 u klasteru Djevice imaju više od 10000. Svaki klaster se sastoji od zvijezda koje se međusobno održavaju gravitacijom i variraju u broju. Neki klasteri mogu imati desetinjak hiljada, a neki više miliona zvijezda. Svaka zvijezda u klasteru ima svoju boju i luminoznost (ukupnu energiju koju zvijezda emituje za jednu sekundu na svim talasnim dužinama). Ove dvije karakteristike su lako mjerljive za zvijezde u našoj galaksiji i za mnoge zvijezde izvan nje. Kada se izmjere ove dvije karakteristike za zvijezde unutar klastera, na Hercšprung-Raselovom dijagramu dobijemo krivu koja ide od dolje desno za crvene zvijezde niske luminoznosti ka gore lijevo za plave zvijezde visoke luminoznosti.
Ove krive na ovom dijagramu su važne jer sve zvijezde unutar klastera stare i kako plave zvijezde troše svoje gorivo tokom vremena, njihovo jezgro se smanjuje i zgušnjava, a zvijezda počinje da “natiče”, i kreće na put koji će je dovesti do crvenog džina. Što vrijeme više prolazi, to je manje popunjen dio dijagrama koji pokazuje plave visoko luminozne zvijezde.
Kada posmatramo klastere otkrivamo različite starosti zvijezda, ali unutar 12+ do 13+ milijardi godina. Najznačajnije je što nema starijih.
Pojedinačne zvijezde
Kada posmatramo svemir, moramo shvatiti da su naši metodi pristupa validni samo pod određenim uslovima, koji podrazumijeva da nije bilo velikih i naglih promjena, pri kojima se različiti tipovi energije ne bi promijenili u jednom trenutku u vremenu. Slično tome, kada su zvijezde u pitanju, mi imamo samo trenutni pogled na njih i njihovo ponašanje tokom datog vremena, godina, decenija ili u najboljem slučaju vijekova. Međutim, zvijezde žive milijardama godina, što znači da vrijeme za koje ih posmatramo je samo treptaj oka u njihovim životima, i da su mnoge zvijezde imale silovite ili “zagađujuće” egekte tokom života, koje mi još nismo ugledali.
Mjerenjima zvijezde HE 1523–0901, koja je otprilike 80% sunčeve mase i sadrži samo 0,1% sunčevog gvožđa, naučnici su procijenili starost zvijezde na 13,2 milijarde godina na osnovu obilja radioaktivnih elemenata. Posmatranja devet zvijezda u blizini Mliječnog 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 zvijezde su se formirale prije Mliječnog puta, i galaksija se formirala oko njih”. Zapravo jedna od ovih devet zvijezda sadrži manje od 0.001% sunčevog gvožđa, tačno ona kategorija za koju se astronomi nadaju da će JWST pronaći u većem broju.
Metuzalem lično
Zvijezda koja najviše zbunjuje je HD 140283, nezvanično nazvana Metuzalem. Pošto je udaljena od nas svega 190 svjetlosnih godina, u stanju smo da lijepo izmjerimo njena svojstva poput luminoznosti, temperature površine i sastava.
Takođe primjećujemo da to nije više dominantna plavičasta zvijezda iz dijagrama već je otpočeo njen neminovni ciklus transformacije ka crvenom džinu. Ovi podaci nas navode na jasan rezultat u pogledu starosti ove zvijezde, 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 zvijezda, ali ipak ne “djevičanska”. Ono što se često izbjegava u diskusijama kada je u pitanju starost ove zvijezde je ključna informacija. Naime postoji velika nesigurnost u pogledu njene starosti od oko 800 miliona godina, i to je samo na nivou povjerenja od 68%.
Ova vrijednost i dalje utvrđuje starost Metuzalema suviše rano za očekivanja, što ukazuje na moguću nesaglasnost između starosti ove zvijezde i starosti kosmosa. Međutim postoji 20% mogućnosti da je zvijezda zapravo mlađa od svemira, što znači da neslaganje uopšte ne postoji. Utvrđivanje vrijednosti je jedna stvar, a smanjenje neizvjesnosti u dovoljnoj mjeri tako da budete sigurni da je vrijednost do koje ste došli tačna nešto je sasvim drugo.
Naravoučenije je da nikad ne treba biti suviše siguran u starost pojedine zvijezde. Moramo biti svjesni da svako takvo mjerenje podrazumijeva veliki stepen nesigurnosti što je dodatno pogoršano našim nepoznavanjem istorije tih zvjezdanih sistema. Na primjer, takozvani Metuzalem može biti u mnogo čemu neobičan, jer bi njegovu starost trebalo da procijenimo na 14,5 milijardi godina, a to je 700 miliona godina starije od samog svemira. Ali u toj procjeni ima mnogo nepoznanica od skoro milijarde godina što znači da bi najjednostavnije usklađivanje tih činjenica bilo da pretpostavimo da je Metuzalem stara zvijezda, ali da izgleda starije nego što to jeste zbog istorijskih događa za koje više ne postoje dokazi.
Od pojedinačnih zvijezda i zvjezdanih jata do ukupnih svojstava našeg sve šireg svemira, možemo da izvedemo vrlo pouzdanu procjenu 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 pogriješiti pri procjeni starosti pojedinačne zvijezde. Naučnicima je od ogromnog značaja da istraže svaki aspekt naših dosadašnjih saznanja. To nam pomaže da se uvjerimo 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 mjerenja zvjezdanih populacija ukazuju da je manevarski prostor veoma mali – otprilike 1%. Ali greške prilikom procjene starosti pojedinačnih zvijezda su često velike. Po svemu sudeći, Metuzalem ne dovodi u pitanje starost svemira, već prije pokazuje ograničenja za izvođenje zaključaka samo na osnovu jedne vrste posmatranja. Ova konkretna zvijezda, bez obzira koliko smo stručni u astronomiji, jednostavno nosi sa sobom suviše nepoznanica, prenosi “Telegraf“.