Первые звезды Вселенной после Большого взрыва полностью состояли из водорода, гелия и совсем небольшого количества лития. В недрах этих звезд сформировались более тяжелые элементы – металлы, которые распространились по Вселенной после взрыва сверхновых. Следующее поколение звезд содержало тяжелые элементы, которые, в свою очередь, преобразовывались в еще более тяжелые. И таким образом металличность звезд во Вселенной возрастала с каждым новым поколением.

К древнейшим звездам нашей Галактики относят также HD 140283, известную как звезда Мафусаила. Ее возраст составляет около 13,3 миллиарда лет. Предполагается, что звезда, расположенная примерно в 190 световых годах от Земли, родилась в карликовой галактике, которую Млечный Путь поглотил более 12 миллиардов лет назад.

Звезда Мафусаила практически исчерпала запасы водорода в ядре, из-за чего ее яркость постепенно падает, поэтому ее относят к субгигантам. Астрономы предполагают, что до наших дней дожило множество древних звезд с низкой металличностью, однако из-за их малых размеров и яркости их трудно обнаружить.

Субгигант HD 140283 относится к группе очень старых звёзд, родившихся через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва. Возможно, она является самой древней звездой в ближайших окрестностях Солнца; во всяком случае она является наиболее старой из всех звёзд, чей возраст был надёжно определён.

Звезда завершила свою эволюцию на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела и начала схождение с неё, что связано с формированием в её недрах пассивного очень горячего гелиевого ядра, на периферии которого продолжает выгорать водород, однако до загорания гелия и перехода в стадию красного гиганта дело ещё не дошло.

Звезда была обнаружена астрономами ещё более ста лет назад. Она была отмечена как высокоскоростная звезда – это довольно обычное явление для старых звёзд населения II, поскольку они не концентрируются к галактической плоскости (где находится Солнце), а принадлежат к сферическому гало Галактики и, входя в галактический диск, движутся поперёк него.

Согласно первоначальной оценке, её возраст равнялся 16 млрд лет, что, однако, невозможно, так как возраст Вселенной не более 13,8 млрд лет. По уточнённой оценке, озвученной на 221-й конференции Американского астрономического сообщества в Лонг-Бич (США), её возраст превышает 13,2 миллиарда лет.

Вычислением возраста звезды занималась группа астрономов под руководством Говарда Бонда из Университета штата Пенсильвания. Без учёта возраста Вселенной применение теории эволюции звёзд даёт оценку возраста 14,46±0,8 млрд лет. Если наложить на эти границы условие, что возраст звезды не может превосходить возраст Вселенной, то наиболее вероятное значение возраста становится равным 13,3 млрд лет.

HD 140283 практически исчерпала запасы водорода в ядре, из-за чего её яркость постепенно падает. Возраст звезды равен и даже, возможно, превышает возраст другой звезды-долгожительницы HE 1523-0901.

Звезда является чрезвычайно металлодефицитной (то есть содержит очень мало элементов тяжелее водорода и гелия), что связано с её рождением в те ранние времена, когда межзвёздная среда ещё не была обогащена тяжёлыми элементами, нарабатываемыми в звёздах. Так, содержание железа и кислорода в её фотосфере соответственно в 250 и 50 раз меньше солнечного. Звезда не видна невооружённым глазом, однако доступна для наблюдения в бинокль или любительский телескоп.

Самая древняя из всех известных звёзд кажется старше, чем Вселенная. Но новое исследование проливает свет на этот кажущийся парадокс.

Предыдущие исследования показали, что возраст «Methuselah star» («звезда Мафусаила») составляет 16 миллиардов лет. И это действительно проблема, ведь многие исследователи пришли к выводу, что Большой взрыв, в результате которого была создана Вселенная, произошёл около 13,8 миллиардов лет назад.

Но теперь астрономы, ориентируясь на расстояние, яркость, состав, структуру звезды, определили, что её возраст несколько меньше, чем полагали ранее.

Ведущий автор исследования Говард Бонд (Howard Bond) из Университета штата Пенсильвания отмечает: «Сложите все составляющие вмести, и вы получите возраст 14,5 миллиардов лет, а, принимая во внимание остаточную неопределённость, возраст звезды получается сравним с возрастом Вселенной». Под остаточной неопределённостью в этом случае, по мнению автора исследования, составляет плюс/минус 800 миллионов лет, т.е., возраст звезды может вполне быть 13,7 миллиардов лет, следовательно, она моложе, чем Вселенная, хотя и не намного.

Более ста лет астрономы наблюдают за HD 140283 – звездой из созвездия Весов, удалённой от нас на 190 световых лет. Небесное светило движется со скоростью 1,3 миллиона километров в час, но важнее то, что HD 140283 – или Мафусаил – является старейшей известной звездой во Вселенной.

В 2000 году, исследователи определили возраст HD 140283 при помощи «Гиппаркоса» – спутника Европейского космического агентства (ESA). Аппарат установил, что звезда появилась более чем 16 миллиардов лет назад. Этот показатель невероятен, поскольку возраст Вселенной, по словам Говарда Бонда, астронома пенсильванского Университета, составляет 13,8 миллиардов лет и получен на основании реликтового электромагнитного излучения. Если принять показатели «Гиппаркоса» за истинные, встаёт вопрос – как звезда может быть старше Вселенной?

Мафусаи́л (Мефусалаг, Метуше́лах, Матушлах), именем которого названа звезда, согласно Книге Бытия был одним из праотцов человечества и предком Ноя. Он является старейшим человеком, указанным в Библи – Мафусаил дожил до 969 лет, а своего сына зачал на 187 году жизни. Имя стало нарицательным для обозначения долгожителя – «мафусиалов век».

Одноимённая звезда состоит в основном из водорода и гелия, а также содержит ничтожное количество металлов. Её состав говорит нам о том, что появление космического тела должно было предшествовать распространению железа. Однако это исследование приводит к парадоксу – Мафусаил старше окружающей его среды более чем на 2 миллиарда лет! Разумеется, это попросту невозможно.

Бонд с коллегами собрали более 11 рядов наблюдений с 2003 по 2011 годы для подтверждения первоначальных данных по возрасту звезды. Информация была получена с телескопа «Хаббл» и его датчиков системы точного наведения, записывающих положение, выделение энергии и расстояние до звёзд. При помощи данных параллакса, спектроскопии и фотометрии можно с большей точностью определить возраст тела.

Видимая звёздная величина – это мера яркости небесного тела (звезды, галактики или даже планеты) с точки зрения земного наблюдателя. Абсолютная звёздная величина в свою очередь характеризует светимость астрономического тела – этот показатель имеет разные определения для разных типов изучаемых объектов. Например, для звёзд она определяется как видимая звёздная величина объекта, если бы он был расположен на расстоянии 10 парсек от наблюдателя.

Другими важными элементами изучения Мафусаила, по словам Бонда, были эффект параллакса и анализ количества кислорода в звезде. Спустя полгода его команда «омолодила» светило до 14,46 миллиарда лет, что всё ещё больше возраста Вселенной.

Исследование 2014 года вновь уменьшило возраст звезды, на сей раз до 14,27 млрд лет. По словам Бонда, если учитывать все неопределённости, погрешность составит около 700 или 800 миллионов лет. Из этого следует, что возраст звезды вписывается в рамки 13,8 млрд лет, тем самым разрешая конфликт «звезды, появившейся раньше Вселенной». Учёный убеждён, что это одно из убедительных доказательств теории Большого взрыва.

Тем не менее не все сомнения развеяны – многие исследователи полагают, что Вселенная может быть моложе 13,8 миллиарда лет. Например, согласно данным «Планка» – космического телескопа ESA – о космическом излучении, Вселенной может быть лишь 11,4 млрд лет. Одним из исследователей является Адам Рисс – нобелевский лауреат из балтиморского Института исследований космоса с помощью космического телескопа (STScI).

Выводы основаны на идее расширяющейся Вселенной, выдвинутой Эдвином Хаббломв 1929 году. Команда «Планка» определила скорость расширения как 67,4 километра в мегапарсек (Мпк), однако последние исследования констатируют, что фактическая скорость расширения на 10% выше и равна 73-74 км/Мпк. Исходя из этих данных следует, что Вселенной не более 12,7 млрд лет, что вновь свидетельствует о том, что HD 140283 «Мафусаил» старше среды его «обитания».

По словам Мэтьюза, нынешний «парадокс возрастов» произрастает из изменения тёмной энергии и скорости ускорения с течением времени. Данный парадокс может быть разрешён благодаря новым исследованиям гравитационных волн, однако и здесь есть загвоздка – сами волны были обнаружены лишь в 2015 году.

Несмотря на сложность выполнения данной задачи, прорыв может быть сделан в ближайшее десятилетие. Астрофизик нью-йоркского Института Flatiron Стивен Фини заявил, что можно собрать данные о столкновениях пар нейтронных звёзд – для этого нужно использовать электромагнитный спектр для определения скорости их движения относительно Земли. Далее требуется анализ возникающих гравитационных волн для определения расстояния. Совокупность полученных данных даст наиточнейшую постоянную Хаббла.

Тайна возраста HD 140283 ведёт к новым открытиям, куда более научно сложным и доселе недостижимым, которые изменят наше понимание природы Вселенной.

Известна HD 140283 более столетия, уже показано, что она почти полностью состоит из водорода и гелия и практически не имеет более тяжелых атомов. Это само по себе говорит об исключительной древности происхождения, относя его к той эпохе, когда поколения звезд еще не наполнили Вселенную всем многообразием химических элементов.

Однако для того, чтобы установить точный возраст HD 140283, пришлось провести новые кропотливые наблюдения. Для начала Говард Бонд и его коллеги с помощью орбитального телескопа Hubble провели точные замеры расстояния до звезды, которое позволило установить ее «истинную» яркость с учетом разделяющей нас дистанции.

Затем ученые учли тот факт, что HD 140283 находится на той фазе существования, когда запас водородного топлива в ее ядре практически закончился, и звезда медленно угасает. Таким образом, возраст ее был оценен в 13,9 млрд лет (± 700 млн) – а если вспомнить, что возраст самой Вселенной, по современной оценке, составляет 13,77 млрд лет, то лучше ориентироваться на минимальную оценку – 13,2 млрд лет.

Это позволяет отнести HD 140283 к самым первым поколениям звезд, сконденсировавшимся из примордиального газа, не имевшего сколько-нибудь значительных количеств химических элементов тяжелее гелия. Что прекрасно согласуется с данными о составе этой звезды, имеющем лишь следовые количества этих элементов. Скорее всего, HD 140283 – представитель второго поколения. Первые звезды, не имевшие тяжелых элементов вовсе, рождались исключительно массивными и короткоживущими, но их гибель создала условия для появления новых поколений.

Второе поколение звезд образовалось из газа, уже содержавшего небольшие количества тяжелых элементов, которые сформировались в недрах звезд первого поколения. Впоследствии газ этот должен был охладиться, позволяя конденсироваться звездам, – и, судя по возрасту HD 140283, процесс этот был исключительно быстрым и занял считанные сотни, а то и десятки миллионов лет.

Почти сто лет звезда была известна как сверхскоростная, но ее присутствие по соседству с нашей Солнечной системой и состав казались странными. Более того, HD 140283, по всем параметрам, сформировалась недолго после Большого Взрыва. Ее возраст составлял 14,46 миллиарда лет, что делало ее старше самой Вселенной, которой 13,817 миллиарда лет (по оценкам на основе космического микроволнового фона).

Конечно, в конечном счете было доказано, что маржа ошибки в оценке возраста звезды была гораздо шире, чем показало оригинальное исследование. Астрономы увеличили маржу до 800 миллионов лет. Ошибка позволяет оценить звезду как намного более молодую, но все равно она войдет в число первых из известных объектов вселенной, разумеется, в пределах времени с момента Большого Взрыва. Но каков верхний предел возраста? Может ли звезда быть такой же старой, как предположило первое исследование, но все еще оставаться «по эту сторону Большого Взрыва»?

В статье в International Journal of Exergy Бироль Килкис из Университета Баскента в Анкаре, Турция, думает, что да. В 2004 году он представил модель излучающей вселенной (RUM). Эта интригующая концепция предполагает, что эксергия (часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой) будет стекать от Большого Взрыва в то, что Килкис называет тепловой раковиной бесконечного размера при абсолютном нуле, долго-долго в будущем. Используя RUM, Килкис рассчитал, что возраст вселенной будет составлять 14,885 ± 0,040 миллиарда лет, что незначительно старше, в общей схеме вещей, чем возраст микроволнового фона, но легко вместит предполагаемый изначальный возраст HD 140283.

Что примечательно, теория RUM Килкиса добавляет новую динамическую величину в постоянную Хаббла и предполагает, что расширение Вселенной начало ускоряться спустя 4,4 миллиарда лет после Большого Взрыва, что также может вместить понятие темной энергии. Более того, нарастающий темп ускорения сам по себе замедляется, что, в свою очередь, можно связать с темной материей.

Темная материя и темная энергия широко обсуждаются сегодня и являются спорными физическими явлениями, которым у нас вообще нет никакого объяснения, но данные наблюдений позволяют предположить, что они реальны. В дополнение ко всему этому RUM подразумевает, что постоянная Планка не является чистой константой, а космологически вариабельна. Об этом в 2013 году высказывали предположения Сешаватарам и Лакшминараяна.

«Большим вопросом остается то, куда расширяется наблюдаемая Вселенная. Если у расширяющейся Вселенной есть масса и объем, то независимо от ее формы она должна расширяться в другую среду, – говорит Килкис. – Эта «среда» бесконечных размеров и лежит в абсолютном нуле, таким образом, действуя в качестве тепловой раковины для вселенной, которая, в свою очередь, является тепловым излучающим источником, лежащим за пределами раковины».

Завораживающее зрелище звездного неба! Оно всегда прекрасно – сверкает бриллиант Сириуса, рубиново отсвечивает Антарес, бездны Млечного Пути проливаются звездной рекой… Какая же из звезд – самая древняя? Как и когда найдена? Эта звезда носит имя HD 140283, и ее возраст практически совпадает с возрастом Вселенной!

Эта находка потеснила предыдущую претендентку на это патриархальное звание: звезду HE 1523-0901, представляющую собой красный гигант в созвездии Весов. Она относится ко второму поколению звездного населения Вселенной, и у нее очень низкая металличность: Fe/H= -2,95.

Эту звезду ранее выделила астроном Анна Фребель (Техасский университет) в среде окраинных звезд Млечного Пути с помощью данных сверхмощного телескопа VLT Европейской Южной обсерватории. Жизнь светила длится около 13,2 миллиарда лет, она почти ровесница Вселенной – разница в полмиллиарда лет не так уж велика по космическим временным масштабам. Открытие датировано 10 мая 2007 года, статья опубликована в ApJ. Но теперь приоритет звезды HE 1523-0901 переуступлен старейшей звезде – субгиганту HD 140283, которая расположена гораздо ближе к Солнцу!

Надо сказать, что любая звезда представляет астрофизикам свой подробнейший «паспорт», а именно – данные спектральных исследований. Для исследования возраста звезды пользуются тем же физическим методом, что и на Земле при датировании древнейших находок в палеонтологии или археологии – радиоизотопным анализом. Радиоактивные изотопы с огромными периодами полураспада осмий, иридий или европий поставляют сведения о том, сколько светилу лет.