O gwiazdach wiemy całkiem sporo. Po stuleciach kierowania teleskopów na nocne niebo astronomowie i amatorzy mogą odkryć kluczowe atrybuty każdej gwiazdy, takie jak jej masa czy skład.
Aby obliczyć masę gwiazdy, po prostu spójrz na jej okres orbitalny i zrób trochę algebry. Aby określić, z czego jest zrobiona, spójrz na widmo światła emitowanego przez gwiazdę. Ale jedyną zmienną, którą naukowcy jeszcze nie złamali, jest czas.
„Słońce jest jedyną gwiazdą, której wiek znamy” – mówi astronom David Soderblom z Space Telescope Science Institute w Baltimore.
Nawet dobrze zbadane gwiazdy co jakiś czas zaskakują naukowców. W 2019 roku, kiedy czerwony nadolbrzym Betelgeza przygasł, astronomowie nie byli pewni, czy przechodzi właśnie fazę, czy też nieuchronna jest eksplozja supernowej. (Okazuje się, że to tylko faza.) Słońce wstrząsnęło również sytuacją, gdy naukowcy zauważyli, że nie zachowuje się jak inne gwiazdy w średnim wieku. Nie jest tak aktywna magnetycznie w porównaniu z innymi gwiazdami o tym samym wieku i masie. Sugeruje to, że astronomowie mogą nie w pełni zrozumieć osi czasu w średnim wieku.
Obliczenia oparte na fizyce i pośrednie pomiary wieku gwiazdy mogą dać astronomom oszacowania. Niektóre metody działają lepiej dla różnych typów gwiazd. Oto trzy sposoby, w jakie astronomowie obliczają wiek gwiazdy.
Diagramy Hertzsprunga-Russella
Naukowcy mają całkiem niezłą wiedzę na temat tego, jak gwiazdy się rodzą, jak żyją i jak umierają. Na przykład gwiazdy spalają paliwo wodorowe, wymachują i ostatecznie wyrzucają swoje gazy w kosmos, czy to z hukiem, czy kwileniem. Ale kiedy dokładnie następuje każdy etap cyklu życia gwiazdy, sprawy się komplikują. W zależności od swojej masy, niektóre gwiazdy trafiają w te punkty po różnej liczbie lat. Bardziej masywne gwiazdy umierają młodo, podczas gdy mniej masywne gwiazdy mogą płonąć przez miliardy lat.
Na przełomie XIX i XX wieku dwóch astronomów — Ejnar Hertzsprung i Henry Norris Russell — niezależnie wpadło na pomysł, aby wykreślić temperaturę gwiazd w funkcji ich jasności. Wzory na tych diagramach Hertzsprunga-Russella lub H-R odpowiadały temu, gdzie w tym cyklu życia znajdowały się różne gwiazdy. Dziś naukowcy wykorzystują te wzorce do określenia wieku gromad gwiazd, których gwiazdy, jak się uważa, powstały w tym samym czasie.
Zastrzeżenie polega na tym, że o ile nie robisz dużo matematyki i modelowania, ta metoda może być używana tylko dla gwiazd w gromadach lub przez porównanie koloru i jasności pojedynczej gwiazdy z teoretycznymi diagramami H-R. „To nie jest zbyt precyzyjne” – mówi astronom Travis Metcalfe z Space Science Institute w Boulder w stanie Kolorado – „Niemniej jednak to najlepsza rzecz, jaką mamy”.
Szybkość rotacji
W latach 70. astrofizycy zauważyli trend: gwiazdy w młodszych gromadach obracają się szybciej niż gwiazdy w starszych gromadach. W 1972 roku astronom Andrew Skumanich wykorzystał tempo rotacji gwiazdy i aktywność powierzchniową, aby zaproponować proste równanie do oszacowania wieku gwiazdy: Tempo rotacji = (Wiek) -½.
Przez dziesięciolecia była to najważniejsza metoda dla poszczególnych gwiazd, ale nowe dane ujawniły dziury w jej użyteczności. Okazuje się, że niektóre gwiazdy nie zwalniają, gdy osiągną pewien wiek. Zamiast tego przez resztę życia zachowują tę samą prędkość obrotową.
„Obrót to najlepsza rzecz do wykorzystania w przypadku gwiazd młodszych od Słońca” – mówi Metcalfe. W przypadku gwiazd starszych od Słońca inne metody są lepsze.
Sejsmologia gwiazd
Nowe dane, które potwierdziły, że tempo rotacji nie były najlepszym sposobem na oszacowanie wieku pojedynczej gwiazdy, pochodziły z mało prawdopodobnego źródła: teleskopu kosmicznego Kepler polującego na egzoplanety. Nie tylko dobrodziejstwem dla badań egzoplanet, Kepler wysunął gwiezdną sejsmologię na pierwszy plan, po prostu wpatrując się w te same gwiazdy przez naprawdę długi czas.
Obserwowanie migotania gwiazd może dać wskazówki co do jej wieku. Naukowcy patrzą na zmiany w jasności gwiazdy jako wskaźnik tego, co dzieje się pod powierzchnią i poprzez modelowanie z grubsza obliczają wiek gwiazdy. Aby to zrobić, potrzebny jest naprawdę duży zestaw danych dotyczących jasności gwiazdy — który mógłby dostarczyć teleskop Keplera.
„Wszyscy myślą, że chodziło o znalezienie planet, co było prawdą” – mówi Soderblom. „Ale lubię mówić, że misja Keplera była ukrytą misją fizyki gwiezdnej”.
To podejście pomogło ujawnić magnetyczny kryzys wieku średniego Słońca, a ostatnio dostarczyło pewnych wskazówek na temat ewolucji Drogi Mlecznej. Około 10 miliardów lat temu nasza galaktyka zderzyła się z galaktyką karłowatą. Naukowcy odkryli, że gwiazdy pozostawione przez tę galaktykę karłowatą są młodsze lub mniej więcej w tym samym wieku co gwiazdy pochodzące z Drogi Mlecznej. Tak więc Droga Mleczna mogła ewoluować szybciej niż wcześniej sądzono.
Ponieważ teleskopy kosmiczne, takie jak NASA TESS i CHEOPS Europejskiej Agencji Kosmicznej, badają nowe obszary nieba, astrofizycy będą mogli dowiedzieć się więcej o cyklu życia gwiazdy i przedstawić nowe szacunki dla większej liczby gwiazd.
Oprócz ciekawości gwiazd na naszym własnym podwórku, wiek gwiazd ma konsekwencje wykraczające poza nasz Układ Słoneczny, od formowania się planet po ewolucję galaktyk — a nawet poszukiwanie życia pozaziemskiego.
„Któregoś z tych dni – prawdopodobnie minie trochę czasu – ktoś powie, że widzi oznaki życia na planecie wokół innej gwiazdy. Pierwsze pytanie, które ludzie zadają, brzmi: „Ile lat ma ta gwiazda?” – mówi Soderblom. „To będzie trudne pytanie”.
