Od ponad 100 lat astronomowie obserwują ciekawą gwiazdę znajdującą się około 190 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Wagi. Szybko podróżuje po niebie z prędkością 800 000 mil na godzinę (1,3 miliona kilometrów na godzinę). Ale co bardziej interesujące, HD 140283 - lub Metuszelach, jak to jest powszechnie znane - jest również jedną z najstarszych znanych gwiazd wszechświata.
W 2000 r. Naukowcy starali się datować gwiazdę za pomocą obserwacji za pośrednictwem satelity Hipparcos Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), którego wiek szacuje się na 16 miliardów lat. Taka postać była raczej oszałamiająca, a także dość zaskakująca. Jak zauważył astronom Howard Bond z Pennsylvania State University, wiek wszechświata - określony na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego tła - ma 13,8 miliarda lat. „To była poważna rozbieżność” - powiedział.
Biorąc pod uwagę wartość nominalną, przewidywany wiek gwiazdy podniósł poważny problem. Jak gwiazda może być starsza od wszechświata? Lub odwrotnie, jak wszechświat może być młodszy? Z pewnością było jasne, że Matuzalem - nazwany w nawiązaniu do biblijnego patriarchy, o którym mówi się, że zmarł w wieku 969, co czyni go najdłużej żyjącym ze wszystkich postaci w Biblii - był stary, ponieważ ubogi w metal subgant składa się głównie z wodoru i hel i zawiera bardzo mało żelaza. Jego skład oznaczał, że gwiazda musiała powstać, zanim żelazo stało się powszechne.
Ale ponad dwa miliardy lat starsze niż środowisko? Z pewnością nie jest to możliwe.
Przyjrzyjmy się bliżej epoce Matuzalema
Bond i jego koledzy postanowili ustalić, czy ta początkowa liczba 16 miliardów była dokładna. Zbadali ponad 11 zestawów obserwacji zarejestrowanych w latach 2003–2011 przez precyzyjne czujniki naprowadzające Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, które odnotowują pozycje, odległości i produkcję energii przez gwiazdy. Przy nabywaniu pomiarów paralaksy, spektroskopii i fotometrii można określić lepsze poczucie wieku.
„Jedną z niepewności związanych z wiekiem HD 140283 była dokładna odległość gwiazdy”, powiedział Bond All All Space. „Ważne było, aby dobrze to zrobić, ponieważ możemy lepiej określić jego jasność, a od tego jego wieku - im jaśniejsze wewnętrzne, tym młodsza gwiazda. Szukaliśmy efektu paralaksy, co oznaczało, że oglądaliśmy gwiazdę sześć miesięcy oprócz szukania przesunięcia w jego położeniu z powodu ruchu orbitalnego Ziemi, który mówi nam o odległości ”.
Powiedział także, że teoretyczne modelowanie gwiazd było niepewne, takie jak dokładne tempo reakcji jądrowych w rdzeniu i znaczenie elementów dyfundujących w dół w warstwach zewnętrznych. Pracowali nad pomysłem, że resztki helu dyfundują głębiej do rdzenia, pozostawiając mniej wodoru do spalania przez syntezę jądrową. Dzięki szybszemu zużyciu paliwa wiek się obniża.
„Innym ważnym czynnikiem była przede wszystkim ilość tlenu w gwieździe” - powiedział Bond. HD 140283 miał wyższy niż przewidywano stosunek tlenu do żelaza, a ponieważ tlen nie występował we wszechświecie przez kilka milionów lat, ponownie wskazał na niższy wiek gwiazdy.
Bond i jego współpracownicy oszacowali, że wiek HD 140283 wynosi 14,46 miliarda lat - to znaczna redukcja 16 miliardów wcześniej deklarowanych. Było to jednak wciąż więcej niż wiek samego wszechświata, ale naukowcy wykazywali resztkową niepewność wynoszącą 800 milionów lat, co, jak powiedział Bond, uczyniło wiek gwiazdy kompatybilnym z wiekiem wszechświata, nawet jeśli nie był on całkowicie idealny .
„Jak wszystkie zmierzone szacunki, jest on obarczony zarówno błędem losowym, jak i systematycznym” - powiedział fizyk Robert Matthews z Aston University w Birmingham w Wielkiej Brytanii, który nie był zaangażowany w badanie. „Nakładanie się pasków błędu daje pewne wskazówki na temat prawdopodobieństwa zderzenia z kosmologicznymi ustaleniami wieku” - powiedział Matthews. „Innymi słowy, najlepiej wspierany wiek gwiazdy jest w konflikcie z wiekiem pochodnym wieku wszechświata, a konflikt można rozwiązać jedynie poprzez przesunięcie pasków błędów do ich skrajnych granic”.
Dalsze udoskonalenia spowodowały, że wiek HD 140283 spadł nieco bardziej. Badanie z 2014 roku zaktualizowało wiek gwiazdy do 14,27 miliarda lat. „Doszliśmy do wniosku, że wiek wynosi około 14 miliardów lat, i ponownie, jeśli weźmie się pod uwagę wszystkie źródła niepewności - zarówno w pomiarach obserwacyjnych, jak i modelowaniu teoretycznym - błąd wynosi około 700 lub 800 milionów lat, więc nie ma konfliktu ponieważ 13,8 miliarda lat leży w pasku błędu gwiazdy ”, powiedział Bond.
Przyjrzyj się bliżej epoce wszechświata
Dla Bonda podobieństwa między wiekiem wszechświata a wiekiem tej starej pobliskiej gwiazdy - obie określone przez różne metody analizy - są „niesamowitym osiągnięciem naukowym, które dostarcza bardzo mocnych dowodów na obraz Wielkiego Wybuchu wszechświata „. Powiedział, że problem wieku najstarszych gwiazd jest znacznie mniej poważny niż w latach 90., kiedy wiek gwiazd zbliżał się do 18 miliardów lat, a w jednym przypadku do 20 miliardów lat. „W obliczu niepewności w ustaleniach wieki się teraz zgadzają” - powiedział Bond.
Jednak Matthews uważa, że problem nie został jeszcze rozwiązany. Astronomowie na międzynarodowej konferencji najlepszych kosmologów w Kavli Institute for Theoretical Physics w Santa Barbara w Kalifornii w lipcu 2019 r. Zastanawiali się nad badaniami sugerującymi różne epoki wszechświata. Przyjrzeli się pomiarom galaktyk, które są stosunkowo blisko, co sugeruje, że wszechświat jest młodszy o setki milionów lat w porównaniu do wieku określonego przez kosmiczne tło mikrofalowe.
W rzeczywistości, dalekie od 13,8 miliarda lat, jak szacują szczegółowe pomiary promieniowania kosmicznego przez europejski teleskop kosmiczny Plancka w 2013 roku, wszechświat może mieć nawet 11,4 miliarda lat. Jednym z badaczy jest laureat Nagrody Nobla Adam Riess z Space Telescope Science Institute w Baltimore, Maryland.
Konkluzje oparte są na idei rozszerzającego się wszechświata, jak pokazał Edwin Hubble w 1929 roku. Jest to fundamentalne znaczenie dla Wielkiego Wybuchu - zrozumienia, że kiedyś był stan gorącej gęstości, która eksplodowała, rozciągając przestrzeń. Wskazuje punkt początkowy, który powinien być mierzalny, ale nowe odkrycia sugerują, że tempo ekspansji jest w rzeczywistości o około 10% wyższe niż sugerowane przez Plancka.
Rzeczywiście, zespół Plancka ustalił, że szybkość ekspansji wynosiła 67,4 km na sekundę na megaparsek, ale nowsze pomiary wykonane we ekspansji wszechświata wskazują na wartości 73 lub 74. Oznacza to, że istnieje różnica między pomiarem prędkości Riess powiedział, że wszechświat rozszerza się dzisiaj i prognozy dotyczące tego, jak szybko powinien się rozszerzać w oparciu o fizykę wczesnego wszechświata. Prowadzi to do ponownej oceny przyjętych teorii, pokazując jednocześnie, że wciąż jest wiele do nauczenia się o ciemnej materii i ciemnej energii, o których uważa się, że stoją za tą zagadką.
Wyższa wartość stałej Hubble'a wskazuje na krótszy wiek wszechświata. Stała 67,74 km na sekundę na megaparsek doprowadziłaby do wieku 13,8 miliarda lat, podczas gdy jeden z 73, a nawet tak wysoki jak 77, jak wykazały niektóre badania, wskazywałby na wiek wszechświata nie dłuższy niż 12,7 miliarda lat. To niedopasowanie, które sugeruje, że HD 140283 jest starszy od wszechświata. Od tego czasu został on również zastąpiony badaniem z 2019 r. Opublikowanym w czasopiśmie Science, w którym zaproponowano stałą Hubble'a o wartości 82,4 - sugerującą, że wiek wszechświata wynosi zaledwie 11,4 miliarda lat.
Matthews uważa, że odpowiedzi leżą w większym kosmologicznym wyrafinowaniu. „Podejrzewam, że kosmologowie obserwacyjni przeoczyli coś, co stwarza ten paradoks, zamiast gwiezdnych astrofizyków” - powiedział, wskazując na być może dokładniejsze pomiary gwiazd. „To nie dlatego, że kosmolodzy są w jakikolwiek sposób niechlujni, ale dlatego, że określenie wieku wszechświata podlega bardziej i prawdopodobnie trudniejszym obserwacyjnym i teoretycznym niepewnościom niż w przypadku gwiazd”.
Jak więc naukowcy to wymyślą?
Co może sprawić, że wszechświat może wydawać się młodszy niż ta konkretna gwiazda?
„Istnieją dwie opcje, a historia nauki sugeruje, że w takich przypadkach rzeczywistość stanowi połączenie obu” - powiedział Matthews. „W tym przypadku byłyby to źródła błędu obserwacyjnego, które nie zostały w pełni zrozumiane, plus pewne luki w teorii dynamiki wszechświata, takie jak siła ciemnej energii, która była głównym motorem kosmicznej ekspansji od wielu miliardów lat ”.
Sugeruje on możliwość, że obecny „paradoks wieku” odzwierciedla zmienność w czasie ciemnej energii, a tym samym zmianę prędkości przyspieszenia - możliwość, którą teoretycy odkryli, może być zgodna z ideami dotyczącymi podstawowej natury grawitacji, takimi jak tzw. teoria zbiorów przyczynowych. Matthews powiedział, że nowe badania fal grawitacyjnych mogą pomóc w rozwiązaniu paradoksu.
Aby to zrobić, naukowcy przyjrzeli się zmarszczkom w przestrzeni i czasie utworzonym przez pary martwych gwiazd, zamiast polegać na kosmicznym tle mikrofalowym lub monitorowaniu pobliskich obiektów, takich jak zmienne Cefeid i supernowe, aby zmierzyć stałą Hubble'a - pierwsza z nich skutkuje prędkością 67 km na sekundę na megaparsek, a druga w 73.
Problem polega na tym, że pomiar fal grawitacyjnych nie jest łatwym zadaniem, biorąc pod uwagę, że zostały one wykryte bezpośrednio po raz pierwszy w 2015 roku. Ale według Stephena Feeneya, astrofizyka z Flatiron Institute w Nowym Jorku, można dokonać przełomu w trakcie następna dekada. Chodzi o to, aby zebrać dane z kolizji między parami gwiazd neutronowych za pomocą światła widzialnego emitowanego przez te zdarzenia, aby obliczyć prędkość, jaką poruszają się względem Ziemi. Wymaga to również analizy powstałych fal grawitacyjnych pod kątem odległości - które można połączyć, aby uzyskać stałą Hubble'a, która powinna być jak najbardziej dokładna.
Tajemnica epoki HD 140283 prowadzi do czegoś większego i bardziej naukowo złożonego, zmieniając rozumienie działania wszechświata.
„Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem paradoksu jest przeoczony efekt obserwacyjny i / lub coś, czego bardzo brakuje w naszym rozumieniu dynamiki kosmicznej ekspansji” - powiedział Matthews. Dokładnie to, czym jest to „coś”, z pewnością będzie stanowiło wyzwanie dla astronomów przez pewien czas.
Dodatkowe zasoby:
