Как астрономы узнают возраст звезд и планет?

История человечества – это сага с многочисленными героями, столетиями сменяющими друг друга. Так, несколько тысяч лет назад звезды, Луна и Солнце считались чем-то божественным и таинственным, однако по мере развития науки и технологий все изменилось. Более того, после столетий наблюдения в телескопы астрономы и любители могут определить ключевые характеристики любой звезды, включая ее массу или состав. 

Все, что для этого нужно – изучить орбитальный период звезды и ее световой спектр. Однако возраст небесных объектов по-прежнему трудно измерить, а ведь последнее помогает многое узнать о жизненном цикле бесчисленного множества звезд и планет на просторах Вселенной. Все потому, что звезды сохраняют одинаковую яркость, температуру и размер в течение миллиардов лет, а свойства планет часто определяются звездой, вокруг которой они вращаются. Так как же астрономы определяют возраст небесных объектов?

Определить возраст звезды или планеты может быть так же сложно, как угадать возраст человека, который выглядит точно так же с детства и до выхода на пенсию.

Сколько лет звездам?

Так как именно звезды хорошо видно в ночном небе, их изучение открыло человечеству окно во Вселенную. Во-первых, яркость и цвет звезд неуловимо меняются, а во-вторых, эти небесные светила вращаются и… замедляются с течением времени. Сравнивая скорости вращения звезд разного возраста, астрономы смогли создать математические зависимости для возраста звезд – метод под названием гирохронология.

Так, обладая точными измерениями, ученые сравнивают их с математическими моделями, которые предсказывают, что происходит со звездами с течением времени, а полученные данные позволяют оценивать возраст той или иной звезды.

Гирохронология — метод оценки возраста маломассивной звезды, такой как Солнце, по периоду её вращения.

По оценкам исследователей, возраст Солнца составляет 4,58 миллиарда лет.

Но даже хорошо изученные звезды время от времени удивляют ученых. В 2019 году, когда сверхгигантская звезда Бетельгейзе потускнела, астрономы не были уверены в том, что именно происходит – превращается ли Бетельгейзе в сверхновую или же просто проходит очередной этап своей эволюции (как оказалось, причиной изменения яркости звезды был этап эволюции).
Солнце, возраст которого известен астрономам лучше других звезд, тоже временами ведет себя странно – его магнитная активность не такая, как у других звезд того же возраста и массы. Это означает, что ученые, возможно, не до конца понимают все возрастные этапы звезд. Увы, но даже все имеющиеся данные и расчеты дают лишь приблизительные оценки, а некоторые методы лучше других применимы для разных типов звезд.

Как астрономы определяют возраст звезд?

Исследователи выделяют несколько способов, позволяющих определить возраст той или иной звезды. Первый, как говорилось выше, основан на вращении звезд, которое генерирует сильное магнитное поле и вызывает магнитную активность – мощные всплески энергии и света, которые происходят на поверхности звезд. Устойчивое снижение магнитной активности звезды также может помочь оценить ее возраст.

Интересно, что к 1970-м годам астрофизики заметили тенденцию: звезды в более молодых скоплениях вращаются быстрее, чем звезды в более старых скоплениях. В 1972 году астроном Эндрю Скуманич использовал скорость вращения звезды и поверхностную активность, чтобы предложить простое уравнение для оценки возраста звезды: скорость вращения = (Возраст) -?. Этот метод был общепринятым для отдельных звезд в течение десятилетий, но новые данные показали, что некоторые звезды сохраняют одну и ту же скорость вращения до конца своей жизни.

Ученые довольно хорошо разбираются в том, как рождаются, живут и умирают звезды

Вращение – это лучшее, что можно использовать для оценки возраста звезд моложе Солнца. Но для звезд старше лучше использовать другие методы, – объясняют астрономы.

Более продвинутый метод определения возраста звезд называется астросейсмологией, или сотрясением звезд. Астрономы изучают колебания на поверхности звезд, вызванные волнами, проходящими через их недра – молодые звезды имеют иную структуру колебаний, чем старые. Используя этот метод, ученые подсчитали, что возраст Солнца составляет 4,58 миллиардов лет.

Сколько лет планетам?

В Солнечной системе радионуклиды являются ключом к датировке планет. радионуклиды – это особые атомы, которые медленно выделяют энергию в течение длительного периода времени. Являясь своего рода «естественными часами», радионуклиды помогают ученым определять возраст самых разных предметов, от горных пород до костей и керамики.

Используя этот метод, исследователи определили, что возраст самого старого известного метеорита составляет 4,57 миллиарда лет, что почти идентично астросейсмологическому измерению Солнца в 4,58 миллиарда лет. Возраст древнейших известных горных пород на Земле несколько меньше – 4,40 миллиарда лет. Аналогичным образом, возраст радионуклидов в почве, привезенной с Луны во время миссий «Аполлон», составлял до 4,6 миллиарда лет.

Измерить возраст звезд и планет не так просто, как можно подумать.
Хотя изучение радионуклидов является мощным методом измерения возраста планет, все, что как правило есть у астрономов – это изображение. И именно по изображения ученые часто определяют возраст скалистых космических объектов, таких как Марс или Луна, подсчитывая их кратеры. На старых поверхностях больше кратеров, чем на более молодых. Однако эрозия под воздействием воды, ветра, космических лучей и потоков лавы из вулканов может стереть свидетельства более ранних воздействий.

Мы пока не можем напрямую измерить возраст планет за пределами нашей Солнечной системы с помощью современных технологий, – отмечают исследователи.

Этот метод, однако, не работает с газовыми гигантами, такими как Юпитер, так что их возраст астрономы оценивают подсчитывая кратеры на спутниках или изучая распределение определенных классов рассеянных метеоритов, что согласуется с радионуклидными методами и методами образования кратеров на каменистых планетах.

Насколько точны эти оценки?

Наша Солнечная система обеспечивает наилучшую проверку точности, поскольку астрономы могут сравнить радионуклидный возраст горных пород на Земле, Луне или астероидах с астросейсмологическим возрастом Солнца, и они очень хорошо совпадают.

Считается, что все звезды в таких скоплениях, как Плеяды или Омега Центавра, сформировались примерно в одно и то же время, поэтому оценки возраста отдельных звезд в этих скоплениях должны быть одинаковыми. У некоторых звезд астрономы могут обнаружить в их атмосферах радионуклиды, такие как уран – тяжелый металл, содержащийся в горных породах и почве, которые использовались для проверки возраста другими методами.
Солнечная система – главный инструмент астрономов в измерении возраста небесных объектов за ее пределами.