Aby np. określić, jaki jest skład chemiczny gwiazdy wystarczy spojrzeć na widmo światła emitowanego przez gwiazdę. Każdy z pierwiastków chemicznych emituje nieco inną barwę, więc czuły teleskop - taki jak teleskop Hubble’a jest w stanie wychwycić najmniejsze różnice w odcieniach kolorów światła jakie emituje gwiazda. Jednak jedyną zmienną, z którą naukowcy jeszcze nie zdołali się uporać, jest czas.
„Tak naprawdę jedyną gwiazdą, której wiek dokładnie znamy jest nasze Słońce" mówi astronom David Soderblom z Instytutu Naukowego ds. Teleskopów Kosmicznych w Baltimore w USA. „Cała nasza wiedza nt. wieku gwiazd wywodzi się właśnie z tego, co wiemy o Słońcu”, dodaje.
Nawet dobrze zbadane, jak się wydaje, gwiazdy potrafią od czasu do czasu zaskoczyć naukowców. W 2019 roku, gdy czerwony supergigant - gwiazda Betelgeuse w gwiazdozbiorze Oriona - przygasł, astronomowie nie byli pewni, czy przechodzi on tylko przez pewną fazę, czy też zbliża się wybuch supernowej (czyli gwałtowne odrzucenie zewnętrznych warstw gwiazdy, co wbrew temu, co można by sądzić na podstawie nazwy jest jej śmiercią). Okazało się, że była to tylko faza w życiu gwiazdy. Obliczenia oparte na fizyce i pośrednich pomiarach wieku gwiazd mogą dać astronomom przybliżone szacunki. Niektóre metody sprawdzają się lepiej w przypadku różnych typów gwiazd. Oto trzy sposoby, w jaki astronomowie obliczają wiek gwiazd.
Diagramy Hertzsprunga-Russella
Naukowcy mają całkiem niezłą wiedzę na temat tego, jak gwiazdy powstają, jak żyją i jak umierają. Na przykład, gwiazdy spalają swoje paliwo wodorowe, dochodzi w końcu do ich rozdęcia i w końcu wyrzucenia ich gazów w przestrzeń kosmiczną. Czasami w wielkiej eksplozji (zwanej supernową), czasami bez spektakularnych efektów. Ale kiedy dokładnie następuje każdy z etapów cyklu życia gwiazdy? Tego do końca nie wiemy. W zależności od swojej masy, niektóre gwiazdy osiągają ten moment w różnym wieku. Bardziej masywne gwiazdy spalają się intensywniej i umierają młodo, podczas gdy mniej masywne, zużywają swoje paliwo wolniej i mogą istnieć przez miliardy lat.
Na przełomie XIX i XX wieku dwaj astronomowie - Ejnar Hertzsprung i Henry Norris Russell - niezależnie od siebie wpadli na pomysł, aby stworzyć wykres temperatury gwiazd względem ich jasności. Wzory na diagramach Hertzsprunga-Russella (H-R) odpowiadały temu, w którym miejscu cyklu życia znajdowały się poszczególne gwiazdy. Dziś naukowcy używają tych wzorów do określania wieku gromad gwiazd, w których, jak się uważa, uformowały się one w tym samym czasie.
Zastrzeżenie polega na tym, że jeśli nie wykona się dużej ilości obliczeń matematycznych i modelowania, metoda ta może być użyta tylko dla gwiazd w gromadach, lub przez porównanie koloru i jasności pojedynczej gwiazdy z teoretycznymi diagramami Hertzsprunga-Russella. „Nie jest ona bardzo precyzyjna," mówi astronom Travis Metcalfe z Instytutu Nauk Kosmicznych w Boulder, w Kolorado. „Niemniej jednak, jest to najlepsze narzędzie jakie mamy".
Tempo rotacji
W latach 70. astrofizycy zauważyli pewien trend: gwiazdy w młodszych gromadach wirują szybciej niż gwiazdy w starszych gromadach. W 1972 r. astronom Andrew Skumanich wykorzystał tempo rotacji gwiazdy i aktywność powierzchniową do zaproponowania prostego równania pozwalającego oszacować wiek gwiazdy: Tempo rotacji gwiazdy jest równe jej wiekowi pomnożonemu przez -½.
Przez dziesięciolecia była to metoda stosowana dla pojedynczych gwiazd, ale nowe dane pokazały braki w jej użyteczności. Okazuje się, że niektóre gwiazdy nie zwalniają po osiągnięciu pewnego wieku. Zamiast tego utrzymują tę samą prędkość rotacji przez resztę swojego życia. „Rotacja jest najlepszym wskaźnikiem dla gwiazd młodszych niż Słońce" - mówi Metcalfe. Dla gwiazd starszych niż Słońce lepsze są jednak inne metody.
Sejsmologia gwiazdowa
Nowe dane, które potwierdziły, że rotacja nie jest najlepszym sposobem na oszacowanie wieku pojedynczej gwiazdy, pochodzą z mało prawdopodobnego źródła: z polującego na egzoplanety teleskopu kosmicznego Kepler. Kepler był nie tylko dobrodziejstwem dla badań nad egzoplanetami, ale także wysunął na pierwszy plan sejsmologię gwiazdową, po prostu wpatrując się w te same gwiazdy przez naprawdę długi czas.
Obserwowanie zmian jasności gwiazdy może dać wskazówki co do jej wieku. Naukowcy patrzą na to, jak gwiazda migocze jako na wskaźnik tego, co dzieje się pod jej powierzchnią i, poprzez modelowanie matematyczne, z grubsza obliczają jej wiek. Aby to zrobić, potrzebny jest naprawdę duży zbiór danych na temat jasności gwiazdy, którego mógłby dostarczyć teleskop Keplera.
W miarę jak teleskopy kosmiczne, takie jak TESS NASA i CHEOPS Europejskiej Agencji Kosmicznej, będą badać nowe obszary nieba, astrofizycy będą mogli dowiedzieć się więcej o cyklu życia gwiazd i opracować nowe szacunki dla większej liczby gwiazd.
Poza ciekawością dotyczącą gwiazd na naszym własnym podwórku, wiek gwiazd ma wpływ na życie poza naszym Układem Słonecznym, od formowania się planet do ewolucji galaktyk - a nawet do poszukiwania życia pozaziemskiego, bowiem wiek gwiazdy może mówić wiele o warunkach jakie panują na ewentualnych planetach na jej orbicie.
