I mer enn 100 år har astronomer observert en nysgjerrig stjerne som ligger omtrent 190 lysår unna Jorden i stjernebildet Vågen. Den kjører raskt over himmelen med 1,3 millioner kilometer i timen. Men mer interessant enn det, er HD 140283 - eller Methuselah som det er kjent - også en av universets eldste kjente stjerner.
I 2000 søkte forskere til dags dato stjernen ved hjelp av observasjoner via European Space Agency (ESA) Hipparcos-satellitten, som anslått en alder av 16 milliarder år gammel. En slik figur var temmelig forbløffende og også ganske forvirrende. Som astronom Howard Bond fra Pennsylvania State University påpekte, er alderen på universet - bestemt av observasjoner av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen - 13,8 milliarder år gammel. "Det var et alvorlig avvik," sa han.
Tatt til pålydende, vekket stjernens spådde alder et stort problem. Hvordan kan en stjerne være eldre enn universet? Eller omvendt, hvordan kunne universet være yngre? Det var helt klart at Methuselah - navngitt med henvisning til en bibelsk patriark som sies å ha dødd i alderen 969, noe som gjør ham til den lengstlevde av alle figurene i Bibelen - var gammel, siden den metallfattige underordnede hovedsakelig er laget av hydrogen og helium og inneholder veldig lite jern. Det er sammensetningen som betydde at stjernen må ha blitt til før jern ble vanlig.
Men mer enn to milliarder år eldre enn miljøet? Det er absolutt ikke mulig.
Ser nærmere på Methusela-alderen
Bond og kollegene satte seg til oppgaven å finne ut om det opprinnelige tallet på 16 milliarder var nøyaktig. De porer over 11 sett med observasjoner som hadde blitt registrert mellom 2003 og 2011 av Fine Guidance Sensors of the Hubble Space Telescope, som gjør et notat om stjerners posisjoner, avstander og energiproduksjon. Ved å skaffe parallaks, spektroskopi og fotometri målinger, kunne en bedre følelse av alder bestemmes.
"En av usikkerhetene med HD 140283-alderen var den nøyaktige avstanden til stjernen," sa Bond til All About Space. "Det var viktig å få dette riktig, fordi vi bedre kan bestemme dens lysstyrke, og ut fra dets alder - jo lysere den iboende lysstyrken, jo yngre stjernen. Vi lette etter parallakseffekten, noe som betydde at vi så på stjernen i seks måneder bortsett fra for å se etter skiftet i sin posisjon på grunn av den orbital bevegelse av Jorden, som forteller oss avstanden. "
Det var også usikkerhetsmomenter i den teoretiske modelleringen av stjernene, slik som de eksakte hastighetene på kjernefysiske reaksjoner i kjernen og viktigheten av at elementer diffunderer nedover i de ytre lag, sa han. De jobbet med ideen om at rester av helium diffunderer dypere i kjernen, og etterlater mindre hydrogen å brenne via kjernefusjon. Med drivstoff brukt raskere senkes alderen.
"En annen faktor som var viktig var av alt oksygenmengden i stjernen," sa Bond. HD 140283 hadde et høyere enn forutsagt oksygen-til-jern-forhold, og siden oksygen ikke var rikelig i universet på noen millioner år, pekte det igjen på en lavere alder for stjernen.
Bond og hans samarbeidspartnere anslått HD 140283s alder til å være 14,46 milliarder år - en betydelig reduksjon på de 16 milliardene som tidligere ble hevdet. Det var imidlertid fortsatt mer enn selve universets alder, men forskerne utgjorde en gjenværende usikkerhet på 800 millioner år, noe Bond sa at stjernens alder var forenlig med universets alder, selv om den ikke var helt perfekt .
"Som alle målte estimater, er det utsatt for både tilfeldig og systematisk feil," sa fysiker Robert Matthews fra Aston University i Birmingham, Storbritannia, som ikke var involvert i studien. "Overlappingen i feilstengene gir en viss indikasjon på sannsynligheten for et sammenstøt med kosmologiske aldersbestemmelser," sa Matthews. "Med andre ord er stjernens best støttede alder i konflikt med alderen for universets avledede alder, og konflikten kan bare løses ved å skyve feilstengene til deres ekstreme grenser."
Ytterligere avgrensninger fikk HD 140283 til å falle litt mer. En oppfølgingsstudie fra 2014 oppdaterte stjernens alder til 14,27 milliarder år. "Konklusjonen som ble oppnådd var at alderen er rundt 14 milliarder år, og igjen, hvis man inkluderer alle kilder til usikkerhet - både i observasjonsmålingene og den teoretiske modelleringen - er feilen omtrent 700 eller 800 millioner år, så det er ingen konflikt fordi 13,8 milliarder år ligger innenfor stjernens feilbar, "sa Bond.
Ser nærmere på universets alder
For Bond er likhetene mellom alderen på universet og den for denne gamle stjernen i nærheten - som begge er bestemt av forskjellige analysemetoder - "en fantastisk vitenskapelig prestasjon som gir veldig sterke bevis for Big Bang-bildet av universet ". Han sa at problemet med de eldste stjerners alder er langt mindre alvorlig enn det var på 1990-tallet da stjernealder nærmet seg 18 milliarder år, eller i ett tilfelle 20 milliarder år. "Med usikkerhetene i bestemmelsene, er aldrene nå enige," sa Bond.
Likevel mener Matthews problemet ennå ikke er løst. Astronomer på en internasjonal konferanse med toppkosmologer ved Kavli Institute for Theoretical Physics i Santa Barbara, California, i juli 2019, forundret seg over studier som antydet forskjellige aldre for universet. De så på målinger av galakser som er relativt nærliggende, noe som antyder at universet er yngre med hundrevis av millioner av år sammenlignet med alderen bestemt av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.
Faktisk, langt fra å være 13,8 milliarder år gammelt, som estimert av det europeiske Planck-romteleskopets detaljerte målinger av kosmisk stråling i 2013, kan universet være så ungt som 11,4 milliarder år. En av dem som sto bak studiene er nobelprisvinneren Adam Riess fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.
Konklusjonene er basert på ideen om et ekspanderende univers, som vist i 1929 av Edwin Hubble. Dette er grunnleggende for Big Bang - forståelsen av at det en gang var en tilstand av varm tetthet som eksploderte og strakk plass. Det indikerer et utgangspunkt som bør være målbart, men ferske funn tyder på at utvidelsesgraden faktisk er rundt 10% høyere enn den som ble foreslått av Planck.
Planck-teamet bestemte riktignok at utvidelsesgraden var 67,4 km per sekund per megaparsek, men nyere målinger tatt av utvidelsesgraden i universet peker til verdier 73 eller 74. Det betyr at det er en forskjell mellom målingen av hvor raskt universet ekspanderer i dag og spådommene om hvor raskt det skal utvide basert på fysikken i det tidlige universet, sa Riess. Det fører til en revurdering av aksepterte teorier, mens det også viser at det fremdeles er mye å lære om mørk materie og mørk energi, som antas å ligge bak dette conundrum.
En høyere verdi for Hubble-konstanten indikerer en kortere alder for universet. En konstant på 67,74 km per sekund per megaparsek ville føre til en alder på 13,8 milliarder år, mens en på 73, eller til og med så høy som 77 som noen studier har vist, ville indikere en universellelder som ikke var større enn 12,7 milliarder år. Det er et misforhold som antyder at nok en gang at HD 140283 er eldre enn universet. Det har også siden blitt avløst av en studie fra 2019 publisert i tidsskriftet Science som foreslo en Hubble Constant på 82,4 - noe som antyder at universets alder bare er 11,4 milliarder år.
Matthews mener svarene ligger i større kosmologisk foredling. "Jeg mistenker at de observasjonelle kosmologene har gått glipp av noe som skaper dette paradokset, snarere enn de stellare astrofysikerne," sa han og pekte på at målingene til stjernene kanskje var mer nøyaktige. "Det er ikke fordi kosmologene på noen måte er slurvete, men fordi aldersbestemmelse av universet er underlagt mer og uten tvil vanskeligere observasjonelle og teoretiske usikkerheter enn stjerners."
Så hvordan vil forskere finne ut av dette?
Hva kan være å få universet til å virke yngre enn denne bestemte stjernen?
"Det er to alternativer, og vitenskapens historie antyder at virkeligheten i slike tilfeller er en blanding av begge deler," sa Matthews. "I dette tilfellet vil det være kilder til observasjonsfeil som ikke har blitt forstått fullt ut, pluss noen gap i teorien om universets dynamikk, for eksempel styrken til mørk energi, som har vært den viktigste driveren for den kosmiske utvidelsen. i mange milliarder av år nå. "
Han antyder muligheten for at det nåværende "aldersparadokset" gjenspeiler tidsvariasjon i mørk energi, og dermed en endring i akselerasjonshastigheten - en mulighet teoretikere har funnet kan være forenlig med ideer om den grunnleggende tyngdekraften, som såkalt årsakssett teori. Ny forskning på gravitasjonsbølger kan bidra til å løse paradokset, sa Matthews.
For å gjøre dette, ville forskere se på krusningene i stoffets rom og tid skapt av par av døde stjerner, i stedet for å stole på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen eller overvåkingen av objekter i nærheten som Cepheid-variabler og supernovaer for å måle Hubble Constant - førstnevnte resulterte i en hastighet på 67 km per sekund per megaparsek og sistnevnte i 73.
Problemet er at det er ingen enkel oppgave å måle gravitasjonsbølger, gitt at de bare ble direkte oppdaget for første gang i 2015. Men ifølge Stephen Feeney, en astrofysiker ved Flatiron Institute i New York, kunne det bli gjort et gjennombrudd i løpet av neste tiår. Tanken er å samle inn data fra kollisjoner mellom par nøytronstjerner ved å bruke det synlige lyset disse hendelsene avgir for å finne ut hastigheten de beveger seg i forhold til jorden. Det innebærer også å analysere de resulterende gravitasjonsbølgene for en ide om avstand - som begge kan kombineres for å gi en måling av Hubble-konstanten som skal være den mest nøyaktige ennå.
Mysteriet fra HD 140283-alderen fører til noe større og mer vitenskapelig sammensatt, og endrer forståelsen av hvordan universet fungerer.
"De mest sannsynlige forklaringene på paradokset er noen oversett observasjonseffekt og / eller noe stort som mangler i vår forståelse av dynamikken i den kosmiske ekspansjonen," sa Matthews. Akkurat hva det "noe" er, er sikker på å holde astronomer utfordret i noen tid.
Tilleggsressurser:
