Есть два основных подхода к измерению возраста звезд. Один базируется на понимании того, как звезды изменяются с течением времени, на астрономическом языке это называется эволюцией. Другой применяет к звездам радиометрический анализ, который изобрели Болтвуд и Холмс и который изначально применялся к земным минералам. Оба подхода основаны на идеях, возникших в начале XX века; сначала более плодотворным казался первый, поэтому мы начнем рассказ с него. Два астронома независимо друг от друга открыли способ соотнесения в единой простой системе температуры (или цвета, как мы уже видели, они находятся в прямой зависимости) и светимости звезд. Оказалось, что эта система – один из полезнейших инструментов для астрономии.

Первым из этих двух астрономов был датчанин Эйнар Герцшпрунг, инженер-химик по образованию и увлеченный астроном. Он работал (бесплатно) в обсерватории Копенгагенского университета с 1902 года и заслужил такую репутацию, что в 1909 году ему предложили должность в Геттингенской обсерватории в Германии. Вторым стал американец, сотрудник Принстонского университета, Генри Расселл, именно он «прославился» попыткой разубедить Сесилию Пейн в реальности ее открытия состава Солнца. В 1905 и 1907 годах Герцшпрунг опубликовал статьи с описанием открытой им взаимосвязи между яркостью и цветом звезд, но в фотожурнале. Астрономы не читали фотожурналы и не заметили его прорыва. Расселл сделал то же открытие немногим позже, но проработал идею подробнее и в 1913 году рассказал о ней в научном журнале. В дальнейшем вклад Герцшпрунга был обнаружен и признан, так что в этом случае (в отличие от B²FH) его имя стоит первым и по алфавиту, и по праву, несмотря на его тогдашний «любительский» статус.

На современном виде диаграммы Герцшпрунга – Расселла (или просто Г – Р) цвета (или температуры, определенные по закону Планка, связанному с черным телом) звезд расположены по оси x с понижением температуры слева направо. На этой оси также показан спектральный класс звезд – эта характеристика относится к спектроскопическому анализу, но действует и для черных тел. По оси y отображена яркость звезд, увеличивающаяся снизу вверх. Здесь имеется в виду не та яркость, которая видна с земли, а абсолютная звездная величина, определяемая по яркости с расстояния в 10 парсек (примерно 32,5 световых года). Разумеется, мы можем выяснить абсолютную звездную величину, только если знаем яркость звезды в небе и ее удаленность от нас, поэтому соотношения диаграммы Г – Р не стали очевидными до тех пор, пока астрономы не научились вычислять расстояния до звезд. Как они это делают, разъясняется в главе 5.

Итак, в левом верхнем углу диаграммы Г – Р расположены самые яркие и горячие звезды, в левом нижнем – горячие, но тусклые, в правом нижнем – холодные и тусклые, а в правом верхнем – холодные, но яркие. Когда астрономы разместили на одной такой диаграмме много звезд, их поразило, что большинство из них лежат единой полосой между правым нижним (холодные и тусклые) и левым верхним (горячие и яркие) углами. Это так называемая главная последовательность, и Солнце, типичный ее представитель, располагается примерно посередине. Сегодня мы знаем, что положение звезды на главной последовательности зависит от ее массы (открыто Эддингтоном в 1920-х годах) и что внутри всех этих звезд горит водород, превращающийся в гелий (это выяснили намного позже). Поскольку массивные звезды в попытке сохранить стабильность сжигают топливо быстрее, они ярче маленьких. Следовательно, чем выше звезда на диаграмме, тем она тяжелее.

Конечно, во втором десятилетии XX века это еще не было очевидно. Для выяснения того, как эволюционируют звезды, потребовалось провести большие сложные исследования, и за следующие полвека наука несколько раз заходила в тупик; здесь не имеет смысла рассказывать обо всех этих перипетиях. Для измерения возраста звезд важно, что примерно к середине 1960-х годов выстроилась цельная картина и приблизительно в то же время Вагонер, Фаулер и Хойл сумели описать, как при Большом взрыве смогли образоваться легкие элементы.

В нашей Галактике 90 % всех ярких звезд находятся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Расселла. Однако существуют яркие и холодные звезды, и это значит, что они должны быть намного больше Солнца: ведь чем меньше тепла излучает поверхность звезды, тем больше должна быть эта поверхность для обеспечения такой яркости. Из-за цвета и размера эти светила называют красными гигантами. Они расположены в правом верхнем углу диаграммы, над главной последовательностью. Еще есть звезды горячие, но тусклые, что означает, что они намного меньше Солнца: их поверхность излучает много тепла, но ее площадь слишком мала, чтобы обеспечить большую яркость. Такие звезды из-за их цвета и размера именуются белыми карликами, они находятся в нижнем левом углу диаграммы Г – Р, под главной последовательностью.

Изучив множество звезд на разных стадиях их жизненного цикла и объединив эти данные с компьютерными симуляциями (моделями) происходящего у них внутри, созданными на базе известных законов физики, астрофизики смогли понять, как по мере старения звезды меняется ее положение на диаграмме Г – Р. Они называют это эволюционным путем. Это все равно что изучать множество деревьев, находящихся на разных стадиях жизненного цикла, чтобы разобраться в жизненном цикле одного дерева.

Эволюционный путь звезды чаще всего начинается с момента, когда находящееся в космосе облако газа и пыли, содержащее «прах» предыдущих поколений звезд в виде некоторого количества «металлов», сжимается под собственным весом и разогревается изнутри (с помощью процесса, описанного Кельвином и Гельмгольцем) достаточно, чтобы начать светиться и запустить горение водорода. Среди факторов, стимулирующих это сжатие, можно назвать магнитные поля, вспышку сверхновой с распространением ударной волны по межзвездным облакам, а также турбулентность внутри них. Независимо от конкретных причин, важно, что такие сжатия иногда происходят. «Иногда» – это даже преувеличение: по оценкам астрономов, в среднем во всей Галактике Млечный Путь образуется одна-две (редко больше) новые звезды в год. После того как светило сформировалось, оно занимает место в главной последовательности в зависимости от своей массы. Более массивные находятся выше в этом ряду, более легкие – ниже. Период пребывания звезды в главной последовательности тоже определяется исключительно ее массой: более тяжелые интенсивнее сжигают топливо для поддержания своей жизнедеятельности, поэтому быстрее истощаются. Массы звезд в главной последовательности варьируются примерно от одной десятой массы Солнца до 50 масс Солнца. Большая часть звезд легче него.

Как я уже упоминал, звезда с массой, подобной солнечной, может оставаться в главной последовательности, поддерживая себя горением водорода с образованием гелия, примерно в течение 10 млрд лет. Звезда с половиной массы Солнца будет иметь яркость в 40 раз меньшую, поверхностную температуру на уровне 4000 К и сумеет продержаться 200 млрд лет. Звезда втрое тяжелее Солнца будет ярче него впятеро, иметь температуру поверхности 7000 К, но останется в главной последовательности всего 3 млрд лет. А звезда с двадцатью пятью массами Солнца окажется в 80 тысяч раз ярче нашего светила, будет сиять с температурой поверхности 35 000 К и сожжет весь свой запас водорода всего за 3 млн лет. Это открывает путь к измерению возраста некоторых звезд. Однако давайте сначала рассмотрим, что происходит со звездами после того, как горение водорода заканчивается и они вынуждены покинуть главную последовательность.

Первое, что при этом происходит, – начало сжатия и разогрева ядра, теперь состоящего преимущественно из гелия, по мере высвобождения энергии притяжения. Это запускает горение водорода в слое вокруг ядра. Дополнительное излучение из ядра и слоя с горящим водородом отталкивает внешние слои звезды и заставляет ее раздуваться, и часть материи в этот момент отторгается в космос. Поскольку звезда увеличивается, даже несмотря на излучение ею большего тепла, чем, например, способно излучить Солнце, на единицу ее поверхности приходится меньше излучения, чем у Солнца, то есть ее поверхность окажется холоднее поверхности звезд из главной последовательности. Таким образом, звезда уйдет из главной последовательности и сдвинется на диаграмме вверх и вправо. Она превратилась в красного гиганта. На каком-то этапе ядро раскалится настолько (примерно до 100 млн К), что начнется горение гелия. В звездах типа Солнца и любых других массой примерно до двух солнечных масс запуск горения гелия происходит неожиданно и называется вспышкой гелия, но в более массивных звездах этот процесс начинается спокойнее. В обоих случаях звезда переходит в состояние, подобное тому, в котором она находилась в главной последовательности, но теперь в ядре происходит горения гелия, а вокруг него – горение водорода. Попутно большая часть внешних слоев звезды отторгается в космос.

Для звезд до четырех масс Солнца на этом все и заканчивается. Когда горение гелия подходит к концу, звезда сжимается до белого карлика: сначала очень горячий, но постепенно остывающий плотный уголек. Звезды тяжелее четырех масс Солнца могут проходить дальнейшие стадии ядерного горения, описанные в предыдущей главе, и выбрасывать в космическое пространство все больше материала (звездного пепла) либо с помощью относительно мягких процессов, либо, если они тяжелее примерно восьми масс Солнца, через мощные взрывы, как сверхновые звезды, разнося тяжелые элементы по всей галактике и оставляя после себя крохотные плотные нейтронные звезды. Все эти явления позволяют нам лучше понять происхождение элементов, составляющих наши собственные тела. Но для понимания возраста звезд важнее всего то, что момент выхода светила из главной последовательности зависит только от его массы. Это означает, что если бы мы взяли группу одновременно образовавшихся звезд и разместили их на диаграмме Г – Р, на ней остались бы незаполненные места. Верхняя часть оказалась бы пустой, потому что все звезды больше определенной массы уже использовали свой водород и вышли из главной последовательности. Точка их выхода – масса последних звезд, еще остававшихся в рамках этой последовательности, – указала бы нам возраст всей группы. К счастью, такие объединения существуют, они называются шаровыми звездными скоплениями. Но выяснить их возраст не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Как подсказывает нам их название, такие скопления – это плотно организованные шары из сотен тысяч или даже миллионов звезд. Нам известно, что шаровые скопления очень стары, поскольку в их звездах содержится очень немного тяжелых элементов (у них низкая металличность). Можно заключить, что они сформировались вскоре после Большого взрыва, но это не самые первые из появившихся звезд, поскольку в них все же есть некоторое количество «металлов». Вероятно, скопления образовались из остатков звезд первого поколения, то есть их возраст несколько меньше возраста Вселенной, определяемого как время, прошедшее с момента Большого взрыва. Шаровые скопления, в частности, распределены по гало, которое окружает нашу Галактику – Млечный Путь, – имеющую форму диска. Такое расположение дополнительно подчеркивает значительный возраст шаровых скоплений: предполагается, что они образовались в облаке материи, из которой сформировалась наша Галактика, еще до того, как она приобрела современную форму. Поскольку шаровые звездные скопления расположены далеко от нас (дистанция измеряется в тысячах парсеков или десятках тысяч световых лет) и по сравнению с этим расстоянием их собственный размер относительно невелик (обычно 10 парсек или 32,5 световых года в диаметре), для нанесения на диаграмму Г – Р можно считать, что все звезды в пределах одного скопления одинаково удалены от нас. Внутри него на один кубический парсек пространства приходится тысяча звезд и даже более, а, например, в кубическом парсеке вокруг нашего Солнца нет ни одной другой звезды. Хотя в видимой Вселенной находится не очень много (менее 200) шаровых скоплений, их распределение в 1920-х годах дало ключ к осознанию природы Галактики и ее взаимодействия с другими галактиками, я расскажу об этом во второй части книги. Но сейчас нас интересует только возраст этих скоплений.

Ключевым моментом для оценки этого возраста является измерение их удаленности от нас. Только зная ее, мы сможем вычислить реальную яркость (абсолютную величину) содержащихся в скоплениях звезд и понять, при какой массе они отойдут от главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга – Расселла. Но для этого нужно уметь очень точно измерять расстояния. Если вы ошибетесь в большую сторону, то переоцените яркость звезды, а это значительно повлияет на оценку возраста: погрешность в 10 % от истинного расстояния даст отклонение в почти 2 млрд лет! До недавних пор проделывать эти измерения было очень сложно и оценки возраста шаровых звездных скоплений оставались весьма ненадежными. Один из приемов предполагает анализ света от класса звезд, известных как переменные типа RR Лиры и находящихся как в шаровых скоплениях, так и намного ближе к нам. Яркость всех этих звезд циклично варьируется, это известно из исследований сравнительно близких к нам примеров, расстояние до которых удалось измерить другими способами. Если переменную звезду типа RR Лиры получается обнаружить в шаровом скоплении (и проанализировать периодичность ее яркости), расстояние до нее удается вывести из видимой яркости. Впрочем, этот прием не слишком точен.

Еще одна приблизительная технология предполагает нанесение скопления на диаграмму Г – Р и уточнение величин всех звезд (по сути, приближение и удаление всего скопления) до тех пор, пока их главная последовательность не совпадет со стандартной (выведенной для ближайших к нам звезд). Проблема здесь в том, что стандартная диаграмма Г – Р базируется на звездах, содержащих больше металлов, чем светила в шаровых скоплениях, поэтому у этих скоплений главная последовательность другая, но никто не может точно сказать, до какой степени. Еще одна сложность всех этих методов состоит в наличии в космосе пыли, поглощающей часть света от удаленных объектов и затрудняющей оценку как яркости, так и цвета звезд, который так важен для определения их температуры (мы помним, что диаграмму Г – Р еще называют «цвет – звездная величина»). Аналогичным образом пыль в земной атмосфере изменяет солнечный свет на восходе и закате, окрашивая небо в красные оттенки; эффект космической пыли называют межзвездным покраснением.

Учитывая все эти сложности, неудивительно, что даже в середине 1990-х годов еще существовали большие сомнения относительно возраста шаровых звездных скоплений. С помощью описанных приемов и некоторых более точных методов астрономы в лучшем случае могли выяснить, что им примерно от 12 до 18 млрд лет, вероятнее всего, 15. Но затем все изменилось.

Этими изменениями мы обязаны орбитальной космической обсерватории Hipparcos, запущенной в 1989 году Европейским космическим агентством (ESA). В течение четырех лет этот аппарат смог с высокой точностью измерить расстояния до почти 120 тысяч звезд с помощью параллакса, к которому я еще вернусь в главе 5. Создатели Hipparcos описывали точность измерений как аналогичную той, с которой телескоп, установленный на вершине Эйфелевой башни, мог бы оценить размер мячика для гольфа, находящегося на крыше Эмпайр-стейт-билдинг. За четыре года наблюдений было накоплено более терабайта данных, регулярно отправлявшихся на Землю. Однако информация собиралась таким образом, что астрономы не могли определить расстояние до конкретной звезды, не дождавшись завершения всего проекта и не увидев все данные одновременно. Даже после этого обработка информации заняла почти столько же времени, сколько длилось наблюдение: результаты миссии Hipparcos были опубликованы лишь в 1997 году.

Обсерватории удалось напрямую измерить расстояние до множества различных видов звезд, включая переменные типа RR Лиры и обычные светила в главной последовательности. Это дало значительный толчок развитию целого ряда направлений астрономии и космологии, о некоторых я упомяну далее. Однако наиболее важным результатом проекта Hipparcos стало уточнение возраста шаровых звездных скоплений: было скорректировано наиболее вероятное значение и уменьшилась возможная погрешность. Оказалось, что скопления находятся от нас значительно дальше, чем предполагалось до 1997 года и что поэтому звезды в них ярче, чем было принято считать. Если звезды ярче, значит, они сжигают свой запас топлива более интенсивно и объяснить их современный вид можно, лишь уменьшив их вероятный возраст: молодая горячая звезда перерабатывает ядерное топливо быстрее, чем прохладная и тусклая. По итогам миссии Hipparcos наиболее вероятный возраст шаровых скоплений лежит в диапазоне примерно между 10 и 13 млрд лет, а еще точнее – 12 млрд лет. Совсем недавно Брайан Чабойер и Лоуренс Краусс, участвовавшие в проекте Hipparcos, обобщили все известные методы определения возраста шаровых скоплений и пришли к выводу, что наиболее старым из них в нашей Галактике, очень возможно, 12,6 млрд лет. К счастью, это отлично согласуется с возрастом очень старых звезд, подсчитанным совершенно иными способами.

Следующий метод подсчета понравился бы графу де Бюффону или даже Исааку Ньютону, знай они о жизненном цикле звезд. Он тесно связан с идеей подсчета возраста остывающего железа путем измерения его нынешней температуры. Железом в нашем случае будут белые карлики.

Белый карлик – это звезда в конце своей эволюции, когда все ядерное горение внутри нее завершилось. По сути, это раскаленный шар из углерода, не имеющий внутренних источников тепла. В нем ничего не происходит, он просто постепенно остывает навсегда. Возраст белого карлика можно высчитать, зная его изначальную температуру (она определяется с помощью моделей звездной эволюции и равна примерно 200–250 тыс. К), скорость остывания и нынешнюю температуру. Поскольку массы звезд на этом этапе находятся в достаточно узком диапазоне, вычисления не слишком сложны. Если масса больше восьми солнечных, звезда взрывается как сверхновая и оставляет после себя нейтронную, в которой содержится больше массы, чем в Солнце, при крохотных размерах (примерно с Джомолунгму), так что она не может стать белым карликом. Если звезда намного легче Солнца, она либо продолжит находиться в главной последовательности до нашего времени, либо же (как мы увидим) превратится в красного гиганта. Самые старые белые карлики из известных обладают остаточной массой примерно в 50–75 % от массы Солнца. Их внешний слой, включая все «металлы», унесло в космос. Единственное, что необходимо измерить, – их яркость (или светимость) и температуру: чем тусклее звезда, тем она старше.

Кажется, что понять процесс остывания такой звезды очень сложно, но структура белого карлика чрезвычайно проста и температура внутри нее почти одинакова по всей толще. Процесс остывания тоже очень несложен за исключением двух небольших затруднений, которые тоже можно просчитать. В частности, в начале своего существования как белого карлика звезда может слегка сжаться, выделяя энергию притяжения в виде тепла, а позже внутренняя часть кристаллизуется, также выделяя немного тепла. После такого затвердевания скорость охлаждения звезды несколько повышается; все эти процессы хорошо известны физикам. В результате можно начертить теоретическую кривую охлаждения – график, сопоставляющий возраст белого карлика и температуру его поверхности, из которого, зная ее, можно вывести возраст звезды.

Существуют и другие детали, в которые я не стану углубляться, но один из главных результатов вычислений состоит в прогнозе относительного количества белых карликов на каждом уровне светимости. Реальное «распределение белых карликов по светимости», наблюдаемое для звезд в диске Млечного Пути, почти точно совпадает с этим прогнозом за исключением очень тусклых белых карликов. Их видно меньше, и очевидная причина этого заключается в том, что звезды Млечного Пути еще просто не дошли в своей эволюции до нужного возраста. Очень четкий «провал» в этом распределении указывает на то, что самые старые белые карлики на диске Млечного Пути остывают уже 9 млрд лет. Массы звезд, задействованных в этом исследовании, составляют около 0,8 массы Солнца, и расчеты их эволюции говорят о том, что звезды предыдущего поколения, из остатков которых они образовались, затратили на эволюцию около 300 млн лет. В итоге возраст диска Млечного Пути оказывается равным 9,3 млрд лет (плюс-минус примерно миллиард). Однако в нашей Галактике существуют и более старые белые карлики.

Млечный Путь, как я уже намекнул, состоит из двух звездных компонентов. Это, собственно, сама Галактика, представляющая собой уплощенный диск из звезд, и окружающее ее сферическое гало из шаровых звездных скоплений (подробнее об этом читайте во второй части книги). Тут важно помнить, что звезды в гало сформировались раньше Млечного Пути и их возраст больше, чем у звезд внутри диска. Таким образом, если мы сможем найти белых карликов внутри шаровых скоплений или в других частях гало вокруг Галактики, они будут наиболее старыми в Млечном Пути. Трудность заключается в том, что звезды гало, как правило, расположены далеко от нас и светят очень тускло (а именно тусклые звезды самые старые!), так что их очень сложно наблюдать. Но у нас есть для этого возможности.

Если мы сможем их обнаружить и проанализировать их свет, белые карлики внутри шаровых скоплений дадут возможность измерить и расстояния до этих скоплений, и их возраст. Но, чтобы это произошло, ученым пришлось ждать запуска космического телескопа «Хаббл» и, в частности, установки на него в 1993 году, в рамках экспедиции по обслуживанию, ультрачувствительной камеры WFPC2. Но даже тогда белых карликов удалось изучить лишь в нескольких самых близких к нам шаровых скоплениях. Сложность в осуществлении таких наблюдений подчеркивается тем, что наблюдаемая с Земли яркость этих светил составляет менее чем одну миллиардную яркости самой тусклой звезды, заметной невооруженным глазом. Чтобы получить от них достаточно света для проведения анализа, камере пришлось несколько дней собирать его буквально по фотону.

Анализ с таким трудом собранного света был несколько облегчен тем, что атмосфера белых карликов состоит либо из чистого водорода, либо преимущественно из гелия. Металлов, которые могли бы изменить эту картину, там нет. Структура атмосферы звезды зависит от силы притяжения на ее поверхности, которая влияет на звездный спектр. Если достаточно точно рассчитать спектр, можно выяснить и силу притяжения звезды (а отсюда массу), и температуру ее поверхности. Возраст шарового скопления можно затем узнать по возрасту самых старых и тусклых белых карликов, входящих в его состав.

В начале XXI века наблюдения за белыми карликами в рамках шарового скопления М4 примерно в 5600 световых годах от нас позволили оценить их возраст в 12,1 млрд лет (плюс-минус 0,9 млрд). Удалось изучить еще пару шаровых звездных скоплений, их возраст оказался сопоставимым. Все эти измерения отлично согласуются с наиболее точными оценками самых старых шаровых скоплений, обнаруженных миссией Hipparcos, – 12,6 млрд лет. Таким образом, очень вероятно, что астрофизики находятся на верном пути и нас ждут новые открытия.

Расстояние в 5600 световых лет для шаровых звездных скоплений – это совсем не много. Но не существует ли астрономически более близких к нам белых карликов? Можно было бы измерить их возраст намного проще и точнее. К счастью, сегодня нам известны две такие звезды. Первая, SDSS J1102, в 2008 году была осторожно описана как «кандидат в белые карлики из старого гало» с опорой на наблюдения проекта цифрового картирования неба фонда Альфреда Слоуна (SDSS). К 2012 году ее статус был подтвержден и удалось обнаружить еще одну подобную звезду – WD 0346. Обе они относятся к населению гало, но, так случилось, сейчас проходят (довольно быстро) через наш участок Галактики. Внимание астрономов сначала привлекла именно их скорость, подтвердившая, что это звезды из гало: те, что находятся в диске, движутся по более или менее круглым орбитам вокруг центра Галактики, как бегуны по стадиону, а гости из гало быстро проносятся сквозь эту упорядоченную структуру под разными углами. В настоящее время J1102 находится на 50 парсек выше диска галактики, а WD 0346 – в 9 парсеках в сторону от него.

Звезда J1102, расположенная в направлении Большой Медведицы, движется по небу со скоростью 1,75 угловой секунды в год. WD 0346, устремленная к созвездию Тельца, перемещается на 1,3 секунды в год. Для сравнения: видимый с Земли угловой диаметр Луны составляет 30 минут, или 1800 секунд. Таким образом, J1102 преодолеет по небу расстояние, равное диаметру Луны, чуть больше чем за тысячу лет. По сравнению с движением других звезд, это очень быстро и означает, что звезда не только стремительная, но и близкая к нам. Она приближена настолько, что расстояние до нее может быть измерено напрямую с помощью параллакса – метода, который я опишу позднее и который дает результат немногим более 100 световых лет (около 34 парсек). Это менее 2 % от расстояния до шарового звездного скопления М4. А чтобы перемещаться по небу со скоростью 1,75 секунды в год, звезда должна пролетать примерно 260 км в секунду (936 тыс. км в час). Зная точную дистанцию до нее, все прочие параметры J1102 (в частности, абсолютную величину) можно высчитать с достаточным приближением. С помощью параллакса также с уверенностью можно определить, что расстояние до WD 0346 чуть меньше, 28 парсек, и что она пересекает пространство со скоростью 150 км в секунду (540 тыс. км в час).

Выясняется, что J1102 – это белый карлик в 0,62 массы Солнца с температурой поверхности 3830 К. WD 0346 обладает несколько большей массой – 0,77 массы Солнца – и температурой 3650 К. Учитывая период, проведенный в главной последовательности, и время остывания, общий возраст каждой из звезд составит, соответственно, чуть менее 11 млрд лет для J1102 и 11,5 млрд лет для WD 0346. Эти величины подтверждают принадлежность звезд к гало, а не к диску Млечного Пути и хорошо согласуются с возрастом самых старых шаровых скоплений, определенных Hipparcos и исследователями белых карликов. Есть и еще одно преимущество: исследования этих близких к нам звезд помогают лучше понять объекты такого рода и уточнить возраст белых карликов из шаровых скоплений. Однако и это еще не все, что можно сказать об измерении возраста звезд.

На звание самой старой известной звезды в Галактике претендуют несколько кандидатов – это связано с неточностями, неизбежными при столь сложных измерениях и их интерпретации в свете современных теорий звездной эволюции. Различные оценки, сделанные уже в нынешнем столетии, пересекаются друг с другом и составляют примерно 13–14 млрд лет. Это уже само по себе фундаментальное и чрезвычайно важное открытие, которое могло бы изумить и впечатлить предыдущие поколения астрономов. Тем не менее точно указать самую старую из ныне существующих звезд невозможно. Ниже я расскажу то, что известно о нескольких вероятных кандидатах и моей личной фаворитке (в свете современных данных). К тому времени, как вы прочтете это, могут обнаружиться другие кандидаты, но, надеюсь, описание всей этой дискуссии позволит вам самим судить о том, с какой уверенностью ученые выдвигают версии в данном отношении.

Первый кандидат – это относительно близкая к нам звезда HD 140283, как раз сейчас покидающая главную последовательность, чтобы превратиться в красного гиганта. Именно эта стадия ее эволюции напрямую зависит от возраста. Поскольку она находится рядом с нами (всего примерно в 60 парсеках, или 190 световых годах, согласно измерениям, сделанным «Хабблом» с помощью параллакса), свет от этой звезды не подвергается эффекту покраснения; это облегчает задачу астрономов. Она достаточно близка, чтобы ее разглядеть в хороший бинокль – нужно только знать, в какой части созвездия Весов искать. Однако, подобно приближенным к нам белым карликам WD 0346 и J1102, звезда HD 140283 – лишь гость в нашем районе Галактики: это быстроногий гонец из гало, пересекающий небосвод с огромной скоростью – 0,13 угловой миллисекунды в час. Иначе говоря, «Хаббл» может зафиксировать ее перемещение на фотографиях, разнесенных во времени всего на несколько часов. Учитывая расстояние, можно подсчитать, что звезда преодолевает примерно 350 км в секунду (1 млн 260 тыс. км в час). HD 140283 была отмечена как обладающая удивительной скоростью еще в 1912 году и стала первой звездой, спектроскопия которой показала наличие меньшего количества тяжелых элементов, чем в Солнце; на астрономическом языке это называется «низкая металличность». Сначала это качество позволило узнать о значительном возрасте звезды, а затем помогло измерить его. Изучив орбиту, астрономы сделали вывод, что звезда, вероятно, образовалась в небольшой «карликовой» галактике, которая чересчур приблизилась к Млечному Пути и была разрушена его притяжением, причем ее звезды втянулись в нашу Галактику и приобрели вытянутые орбиты, то проникающие в глубь диска, то выходящие далеко в гало.

«Металлы» составляют примерно 1,6 % массы Солнца. Астрономы измеряют металличность звезд, сравнивая с помощью спектра пропорции водорода и тяжелых элементов, таких как железо. Металличность Солнца принята за точку отсчета, и эта характеристика других звезд измеряется в единицах, каждая из которых равна степени десяти: если в звезде в 10 раз больше железа (относительно водорода), чем в Солнце, то показатель ее металличности равен 1, если в 100 – то 2 и так далее. Если металличность звезды ниже солнечной, те же коэффициенты применимы и в обратную сторону: –1 означает в 10 раз меньшее содержание металлов, чем в Солнце, – 2 – стократно ниже и так далее. Металличность HD 140283 меньше солнечной в 250 раз.

Астрономы способны измерить как металличность звезды, подобной HD 140283, относительно Солнца, так и пропорции различных тяжелых элементов в ней. Их наличие зависит от возраста звезды, которым определяется количество каждого элемента, созданного в процессе ядерного синтеза. Надежным указателем возраста становится, в частности, соотношение кислорода и железа. В HD 140283 коэффициент кислорода равен –1,5, а железа – 2,3. С помощью этих и других данных в 2013 году коллектив ученых во главе с Говардом Бондом, работавшим тогда в государственном университете штата Пенсильвания, оценил возраст звезды в 14,5 млрд лет. Газеты запестрели заголовками, в которых ее назвали самой старой, но на этом история не закончилась. Оценку можно считать сомнительной, поскольку наблюдения за звездой представляют сложность и принципы расчета не вполне точны. Так, если мы увеличим показатель для кислорода на 0,15, то останемся в пределах погрешности измерений, однако возраст звезды снизится до 13,3 млрд лет. Эффект покраснения тоже может сократить предполагаемый период ее жизни. Таким образом, наиболее точно в настоящее время возраст HD 140283 можно оценить как 14,5 плюс-минус 0,8, то есть от 13,7 до 15,3 млрд лет. Это вытесняет с пьедестала звезду CS 22892-052, ранее известную как старейшую. Впрочем, о ней стоит упомянуть отдельно, чтобы продемонстрировать, насколько серьезные изменения в нашем понимании свойств звезд произошли за последние десятилетия. Мне импонирует простота метода оценки возраста звезд, примененного к CS 22892-052, и его связь с самыми первыми попытками напрямую оценить возраст Земли. Я расскажу о нем ниже.

В 1996 году, когда я писал книгу The Birth of Time («Рождение времени»), как раз завершились сложные и весьма точные спектроскопические исследования этой звезды, включая измерение наличия в ней множества элементов, в частности тория и европия, которые позволили оценить ее возраст в 15,2 плюс-минус 3,7 млрд лет. К 2003 году дополнительное изучение той же звезды, объединившее наблюдения с Земли и «Хаббла», уточнило оценку возраста тория и европия до 12,8 плюс-минус 3 млрд лет, а нескольких разных элементов – до 12–13,5 млрд лет. Это похоже на нижнюю границу оценок для HD 140283, а датировка других звезд по торию и европию в начале нынешнего столетия дала аналогичные результаты. Но как же это работает?

Граф де Бюффон и Исаак Ньютон могли бы с легкостью понять принципы оценки возраста белых карликов, а Бертрам Болтвуд и Артур Холмс не испытали бы сложностей с последним методом, который я опишу в приложении к определению возраста звезд. Это простая радиометрическая датировка, примененная не к геофизическим, а к астрофизическим объектам. Метод, работающий с белыми карликами, может использоваться только в отношении звезд, начавших свое существование с большей, чем у Солнца, массой и эволюционировавших быстрее, а радиометрическая датировка способна помочь и в случае со звездами, которые имели вначале массу меньше солнечной, развивались медленнее и, несмотря на свой огромный возраст, до сих пор находятся в стадии красных гигантов.

В главе 3 я вскользь упомянул, что элементы существуют в различных вариантах, называемых изотопами и имеющих разные массы (из-за неодинакового числа нейтронов в ядрах), но аналогичные химические характеристики (благодаря одинаковому числу протонов и, соответственно, электронов). Обычный водород и дейтерий (тяжелый водород) – разные изотопы водорода, а гелий встречается в виде гелия-3 и гелия-4: у первого в ядре два протона и один нейтрон, у второго два протона и два нейтрона. Все это важно для радиометрической датировки, поскольку у некоторых тяжелых элементов есть стабильные и нестабильные изотопы. Говоря о радиоактивном распаде элемента, мы подразумеваем распад конкретного изотопа.

Возраст Млечного Пути можно напрямую грубо определить с помощью радиометрической датировки, и она даст нам один очень важный результат. Имеющиеся вокруг нас сегодня пропорции различных изотопов могут рассказать о том, каковы они были у радиоактивных изотопов во времена формирования Солнечной системы, даже если эти изотопы уже давно распались: ведь в результате образовались другие, которые можно найти и проанализировать. Итак, мы приблизительно знаем, какое сочетание радиоактивных элементов присутствовало в облаках межзвездной пыли в период образования Солнечной системы, и можем применить эти оценки для расчета времени образования такой комбинации веществ. Самая простая из возможных догадок: все они сформировались одновременно при рождении Млечного Пути. Это явно неверно, поскольку мы знаем, что сверхновые взрываются и в наши дни. Исключение такого варианта очень полезно. Оно указывает нам минимально возможный возраст Млечного Пути – 8 млрд лет. Наша Галактика не может быть моложе, и, соответственно, не может быть моложе и вся Вселенная. Это важно иметь в виду, переходя ко второй части книги.

Несколько более продвинутая догадка: с момента образования Млечного Пути сверхновые взрывались с одинаковой частотой каждый год (или, скорее, тысячу лет, поскольку это происходит примерно раз или два в столетие) и таким образом обогащали космические облака новым радиоактивным материалом и другими веществами. Думая так, мы наверняка отодвинем нужную дату слишком далеко в прошлое, поскольку в прежние периоды, когда Млечный Путь был еще молод, взрывы сверхновых наверняка происходили чаще. Но таким образом можно получить оценку примерно в 13 плюс-минус 3 млрд лет, это вполне совпадает с диапазонами возрастов некоторых старых звезд. И тут наконец я могу перейти к моей любимой версии.

Последний прорыв, который я опишу, – это обнаружение спектроскопических особенностей урана-238 в звездном спектре. При предыдущих измерениях возраста звезд использовался торий-232: его период полураспада, 14,1 млрд лет, столь велик, что даже в тех масштабах, о которых идет речь, он не успел значительно распасться. Его период полураспада, в частности, втрое больше возраста Земли. Поэтому продукты распада тория почти невозможно обнаружить и проанализировать. Астрономы знали, что уран-238 с периодом полураспада «всего-навсего» в 4,5 млрд лет (это близко к возрасту Земли) и хорошо изученными, легко выявляемыми продуктами распада мог бы стать намного более качественным ориентиром, если бы удалось обнаружить его следы в спектре звезд. В начале 2001 года их ждала удача: группа астрономов, использовавшая телескоп Европейской южной обсерватории высоко в горах Чили, сообщила об обнаружении явных следов урана-238 в спектре звезды CS 31082-001. В этой звезде было в тысячу раз меньше железа, чем в Солнце (коэффициент равнялся –3), имелись торий и уран, то есть можно было оценить ее возраст сразу по двум радиоактивным веществам. Пропорции тория и урана позволяют сделать это достаточно точно, и возраст звезды оказался равен 12,5 плюс-минус 3 млрд лет. Вряд ли она самая старая из известных, тем не менее одна из старейших, исследованных с помощью этого метода, который я считаю наиболее надежным. Наконец, в 2008 году внимание оказалось приковано к звезде HE 1523–0901.

Это красный гигант, расположенный в гало, примерно в 7400 световых лет от Земли в сторону созвездия Весов. Его масса составляет около 80 % от массы Солнца, коэффициент металличности равен –2,95. Анна Фребель, работавшая в то время в Техасском университете (город Остин), и ее коллеги заявили, что с помощью спектроскопического анализа и Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории в свете этой звезды они обнаружили не только уран и торий, но и европий, осмий и иридий. Это позволило им получить целый набор пропорций: урана к торию, тория к иридию, тория к европию, тория к осмию. Чем больше подобных соотношений удается проанализировать, тем надежнее оценка возраста звезды. Сложив все данные, ученые пришли к значению в 13,2 плюс-минус 3 млрд лет. Это несколько больше, чем оценка для CS 31082-001, но провести границу сложно: незначительная разница между соотношениями урана к торию у CS 31082-001 и HE 1523–0901 позволяет предположить, что первая из звезд все-таки несколько старше, что к тому же укладывается в погрешности оценок. Впрочем, как пишут сами исследователи, «с учетом того, что наблюдаемые погрешности превышают [разницу возрастов], нынешний возраст этих двух звезд предполагает их образование примерно в одно и то же время. Это также подтверждается их почти идентичной металличностью».

Можно сделать общий вывод, что все эти возрасты, подсчитанные тремя разными способами: с помощью шаровых звездных скоплений, белых карликов или радиометрии, – согласуются друг с другом. Из этого можно вывести два следствия. Во-первых, астрофизика непротиворечива: астрономы движутся в нужном направлении. Во-вторых, самой старой звезде в нашей Галактике немногим более 13 млрд лет. Теперь посмотрим, как это соотносится с нашим пониманием Вселенной в целом.