Astronomi že več kot 100 let opazujejo radovedno zvezdo, ki se nahaja približno 190 svetlobnih let od Zemlje v ozvezdju Tehtnica. Hitro potuje po nebu s 800.000 mph (1,3 milijona kilometrov na uro). Toda bolj zanimivo od tega je HD 140283 - ali Metuzalah, kot je splošno znano - tudi ena najstarejših znanih zvezd vesolja.
Leta 2000 so znanstveniki poskušali zvezdo datirati s pomočjo opazovanj preko satelita Hipparcos Evropske vesoljske agencije (ESA), ki je ocenil starost 16 milijard let. Takšna figura je bila precej razburljiva in tudi precej zmedena. Kot je poudaril astronom Howard Bond z univerze Pennsylvania State, je starost vesolja - določena na podlagi opazovanj kozmičnega mikrovalovnega ozadja - stara 13,8 milijarde let. "Šlo je za resno neskladje," je dejal.
Predvidena starost zvezde, ki je bila upoštevana po nominalni vrednosti, je povzročila velik problem. Kako je lahko zvezda starejša od vesolja? Ali obratno, kako bi bilo lahko vesolje mlajše? Gotovo je bilo jasno, da je Metuzalah - imenovan v zvezi s svetopisemskim patriarhom, za katerega naj bi umrl, da je bil star 969 let, zaradi česar je najdlje živel od vseh figur v Bibliji - star, saj je podreja, ki je slaba s kovinami, večinoma narejena iz vodika in helij in vsebuje zelo malo železa. Njegova skladba je pomenila, da se je zvezda morala pojaviti, preden je železo postalo običajno.
Toda več kot dve milijardi let starejši od svojega okolja? Zagotovo to preprosto ni mogoče.
Pobližje si oglejmo starost Metuzalema
Bond in njegovi sodelavci so si zastavili nalogo, da ugotovijo, ali je ta prvotna številka 16 milijard točna ali ne. Primerjali so več kot 11 sklopov opazovanj, ki so jih med letoma 2003 in 2011 zabeležili senzorji za natančno usmerjanje vesoljskega teleskopa Hubble, ki beležijo položaje, razdalje in energijsko moč zvezd. S pridobitvijo meritev paralakse, spektroskopije in fotometrije je mogoče določiti boljši občutek starosti.
"Ena od negotovosti s starostjo HD 140283 je bila natančna razdalja zvezde," je Bond povedal za All About Space. "Pomembno je bilo, da dobimo to prav, saj lahko bolje določimo njegovo svetilnost in od tega njeno starost - čim večja je notranja svetilnost, mlajša je zvezda. Iskali smo učinek paralakse, kar pomeni, da smo zvezdo gledali šest mesecev razen iskati premik v svojem položaju zaradi orbitalnega gibanja Zemlje, ki nam pove razdaljo. "
Negotovosti so bile tudi pri teoretičnem modeliranju zvezd, kot so natančna hitrost jedrskih reakcij v jedru in pomen elementov, ki se v zunanjih plasteh širijo navzdol, je dejal. Delali so na ideji, da preostali helij razprši globlje v jedro, tako da z jedrsko fuzijo gori manj vodika. Ko se gorivo hitreje uporablja, se starost zniža.
"Pomemben dejavnik je bila predvsem količina kisika v zvezdi," je dejal Bond. HD 140283 je imel višje, kot je bilo predvideno, razmerje med kisikom in železom, in ker kisika v vesolju ni bilo v izobilju nekaj milijonov let, je spet pokazal na nižjo starost zvezde.
Bond in njegovi sodelavci so starost 140 1403 HD ocenili na 14,46 milijarde let - kar je znatno zmanjšanje na 16 milijard prej zahtevanih. To je sicer še vedno več kot starost vesolja samega, vendar so znanstveniki predstavljali preostalo negotovost 800 milijonov let, kar je po Bondovih besedah starost zvezde postavilo združljivo s starostjo vesolja, čeprav ni bilo povsem popolno .
"Kot vse izmerjene ocene je tudi ta podvržena naključnim in sistematičnim napakam," je dejal fizik Robert Matthews z univerze Aston iz Birminghama v Veliki Britaniji, ki v raziskavo ni bil vključen. "Prekrivanje v vrsticah z napakami kaže na nekaj verjetnosti spopada s kozmološkimi določitvami starosti," je dejal Matthews. "Z drugimi besedami, najbolje podprta starost zvezde je v nasprotju s starostjo vesolja, ki je izpeljana, in konflikt je mogoče rešiti le s potiskanjem vrstic napak do skrajnih meja."
Pri nadaljnjih izboljšavah je starost HD 140283 nekoliko padla. Nadaljnja študija iz leta 2014 je starost zvezde posodobila na 14,27 milijarde let. "Do zaključka je prišlo, da je starost približno 14 milijard let, in če spet vključimo vse vire negotovosti - tako v opazovalnih meritvah kot v teoretičnem modeliranju - je napaka približno 700 ali 800 milijonov let, tako da ni konfliktov ker 13,8 milijarde let leži v zvezdi napake, "je dejal Bond.
Pobližje si oglejmo starost vesolja
Za Bonda so podobnosti med starostjo vesolja in starostjo te bližnje zvezde - obe sta določeni z različnimi analiznimi metodami - "neverjeten znanstveni dosežek, ki zagotavlja zelo močan dokaz za sliko vesolja Big Bang" ". Povedal je, da je težava s starostjo najstarejših zvezd veliko manj resna, kot je bila v devetdesetih letih, ko so se zvezdne starosti bližale 18 milijardam let ali, na primer, 20 milijardam let. "Z negotovostmi odločitev se starosti zdaj strinjajo," je dejal Bond.
Kljub temu Matthews meni, da težava še ni odpravljena. Astronomi na mednarodni konferenci vrhunskih kozmologov z Inštituta za teoretično fiziko Kavli v Santa Barbari v Kaliforniji so julija 2019 zmedeni nad raziskavami, ki so predlagale različne starosti za vesolje. Ogledali so si meritve galaksij, ki so sorazmerno blizu, kar kaže na to, da je vesolje mlajše za sto milijonov let v primerjavi s starostjo, ki jo določa kozmično mikrovalovno ozadje.
Dejansko je vesolje daleč od 13,8 milijarde let, kot so ocenili podrobne meritve kozmičnega sevanja v vesoljskem teleskopu Planck leta 2013, je lahko staro 11,4 milijarde let. Eden izmed tistih, ki stojijo za raziskavami, je nobelovec Adam Riess z Znanstvenega inštituta za vesoljski teleskop v Baltimoru v Marylandu.
Zaključki temeljijo na ideji o širjenju vesolja, kot jo je leta 1929 prikazal Edwin Hubble. To je temeljnega pomena za Veliki prašek - razumevanje, da je nekoč obstajalo stanje vroče gostote, ki je eksplodiralo, raztezalo se je prostor. Nakazuje izhodišče, ki bi moralo biti izmerljivo, vendar sveže ugotovitve kažejo, da je stopnja razširitve pravzaprav za približno 10% višja od tiste, ki jo je predlagal Planck.
Dejansko je Planckova ekipa ugotovila, da je hitrost širitve 67,4 km na sekundo na megaparsec, vendar novejše meritve hitrosti širjenja vesolja kažejo na vrednosti 73 ali 74. To pomeni, da obstaja razlika med meritvijo, kako hitro Vesolje se danes širi in napovedi, kako hitro naj bi se širilo, temeljijo na fiziki zgodnjega vesolja, je dejal Riess. Vodi k ponovni oceni sprejetih teorij, hkrati pa kaže, da je treba še veliko naučiti o temni snovi in temni energiji, za katero se domneva, da stojita za tem zagonetkom.
Višja vrednost za Hubble Constant kaže na krajšo starost vesolja. Konstanta 67,74 km na sekundo na megaparsec bi privedla do starosti 13,8 milijarde let, medtem ko bi ena od 73 ali celo 77, kot kažejo nekatere raziskave, pokazala, da vesoljska doba ne presega 12,7 milijarde let. To je neskladje, ki še enkrat nakazuje, da je HD 140283 starejši od vesolja. Odtlej jo je nadomestila tudi študija iz leta 2019, objavljena v reviji Science, ki je predlagala Hubble Constant 82,4 - kar kaže, da je starost vesolja le 11,4 milijarde let.
Matthews verjame, da so odgovori v večji kozmološki natančnosti. "Sumim, da so opazovalni kozmologi zgrešili nekaj, kar ustvarja ta paradoks, namesto zvezdnih astrofizikov," je dejal in poudaril, da so meritve zvezd morda bolj natančne. "To ni zato, ker so kozmologi na kakršen koli način bolj potuhnjeni, temveč zato, ker je določanje vesolja glede na starost podvrženo več in verjetno bolj zapletenim opazovalnim in teoretičnim negotovostim kot zvezde."
Kako bodo znanstveniki to ugotovili?
Kaj bi lahko povzročilo, da se vesolje zdi mlajše od te zvezde?
"Obstajata dve možnosti in zgodovina znanosti kaže, da je v takih primerih resničnost mešanica obeh," je dejal Matthews. "V tem primeru bi to bili viri opazovalne napake, ki je niso dokončno razumeli, in nekaj vrzeli v teoriji dinamike vesolja, kot je moč temne energije, ki je bil glavno gonilo kozmične širitve. že več milijard let. "
Predlaga možnost, da trenutni "starostni paradoks" odraža časovno nihanje temne energije in s tem spremembo hitrosti pospeška - možnost, ki bi jo teoretiki ugotovili, bi bila združljiva z idejami o temeljni naravi gravitacije, kot je t.i. teorija vzročne množice. Matthews je dejal, da bi nove raziskave gravitacijskih valov lahko pomagale razrešiti paradoks.
Da bi to naredili, bi znanstveniki pogledali na valovanja v tkanini prostora in časa, ki so jih ustvarili pari mrtvih zvezd, namesto da bi se za merjenje Hubble Constant - zanašali na kozmično mikrovalovno ozadje ali spremljanje bližnjih predmetov, kot so cefidske spremenljivke in supernove prvi je povzročil hitrost 67 km na sekundo na megaparsec, drugi pa v 73.
Težava je, da merjenje gravitacijskih valov ni lahka naloga, glede na to, da so jih prvič zaznali šele leta 2015. Toda po besedah Stephena Feeneyja, astrofizika z Inštituta Flatiron v New Yorku, bi bil možen preboj v teku naslednje desetletje. Ideja je zbrati podatke o trkih med pari nevtronskih zvezd z uporabo vidne svetlobe, ki jo ti dogodki oddajajo, da bi ugotovili hitrost, ki se giblje glede na Zemljo. Zajema tudi analizo dobljenih gravitacijskih valov z namenom predstavitve razdalje - oba se lahko kombinirata, da dobite meritev Hubble Constant, ki bi morala biti najbolj natančna doslej.
Skrivnost starosti HD 140283 vodi v nekaj večjega in znanstveno bolj zapletenega, kar spremeni razumevanje, kako deluje vesolje.
"Najpogostejše razlage paradoksa so nekateri spregledan opazovalni učinek in / ali nekaj velikega, kar nam manjka v našem razumevanju dinamike kozmične širitve," je dejal Matthews. Prav to, kar je "nekaj", je zagotovo, da bodo astronomi izzivali nekaj časa.
Dodatni viri:
