I mere end 100 år har astronomer observeret en nysgerrig stjerne beliggende ca. 190 lysår væk fra Jorden i stjernebilledet Vægt. Den kører hurtigt over himlen med 800.000 km / h (1,3 millioner kilometer i timen). Men mere interessant end det, er HD 140283 - eller Methuselah, som det er almindeligt kendt - også en af universets ældste kendte stjerner.
I 2000 søgte forskere til dato stjernen ved hjælp af observationer via Det Europæiske Rumagenturs Hipparcos-satellit, der anslåede en alder på 16 milliarder år gammel. En sådan figur var temmelig forbløffende og også temmelig forvirrende. Som astronom Howard Bond fra Pennsylvania State University påpegede, er universets alder - bestemt af observationer af den kosmiske mikrobølgebakgrund - 13,8 milliarder år gammel. ”Det var en alvorlig uoverensstemmelse,” sagde han.
Taget til pålydende, rejste stjernens forudsagte alder et stort problem. Hvordan kunne en stjerne være ældre end universet? Eller omvendt, hvordan kunne universet være yngre? Det var bestemt klart, at Methuselah - opkaldt under henvisning til en bibelsk patriark, der siges at være død i alderen 969, hvilket gjorde ham til den længst levede af alle figurerne i Bibelen - var gammel, da den metalfattige underordnede overvejende er lavet af brint og helium og indeholder meget lidt jern. Dets sammensætning betød, at stjernen må være kommet inden jern blev almindeligt.
Men mere end to milliarder år ældre end dets miljø? Det er bestemt ikke muligt.
Se nærmere på Methuselahs alder
Bond og hans kolleger stillede sig til opgaven at finde ud af, om det oprindelige tal på 16 milliarder var nøjagtigt. De porerede over 11 sæt observationer, der var registreret mellem 2003 og 2011 af Fine Guidance Sensors of Hubble Space Telescope, som noterer sig stjernernes positioner, afstande og energiproduktion. Ved erhvervelse af parallax, spektroskopi og fotometri måling kunne en bedre alderssans bestemmes.
"En af usikkerhederne med HD 140283-alderen var den nøjagtige afstand fra stjernen," fortalte Bond til All About Space. "Det var vigtigt at få dette rigtigt, fordi vi bedre kan bestemme dens lysstyrke, og ud fra dets alder - jo lysere den iboende lysstyrke, jo yngre stjerne. Vi ledte efter parallaxeffekten, hvilket betød, at vi så stjernen seks måneder bortset fra at kigge efter skiftet i dens position på grund af jordens orbitalbevægelse, som fortæller os afstanden. "
Der var også usikkerheder i den teoretiske modellering af stjernerne, såsom den nøjagtige hastighed af nukleare reaktioner i kernen og betydningen af elementer, der diffunderer nedad i de ydre lag, sagde han. De arbejdede med tanken om, at resterende helium diffunderer dybere ind i kernen, hvilket giver mindre brint at brænde via nuklear fusion. Når brændstof bruges hurtigere, sænkes alderen.
"En anden faktor, der var vigtig, var af alt mængden af ilt i stjernen," sagde Bond. HD 140283 havde et højere end forventet ilt-til-jern-forhold, og da ilt ikke var rigeligt i universet i et par millioner år, pegede det igen på en lavere alder for stjernen.
Bond og hans samarbejdspartnere anslog HD 140283's alder til 14,46 milliarder år - en betydelig reduktion i forhold til de 16 milliarder, der tidligere blev hævdet. Det var dog stadig mere end selve universets alder, men forskerne udgjorde en resterende usikkerhed på 800 millioner år, hvilket Bond sagde gjorde stjernens alder forenelig med universets alder, selvom det ikke var helt perfekt .
"Som alle målte skøn er det genstand for både tilfældig og systematisk fejl," sagde fysiker Robert Matthews fra Aston University i Birmingham, England, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Overlapningen i fejlbjælkerne giver en vis indikation af sandsynligheden for et sammenstød med kosmologiske aldersbestemmelser," sagde Matthews. "Med andre ord er stjernens bedst understøttede alder i konflikt med alderen for universets afledte alder, og konflikten kan kun løses ved at skubbe fejlbjælkerne til deres ekstreme grænser."
Ved yderligere forbedringer faldt HD 140283-alderen lidt mere. En opfølgningsundersøgelse fra 2014 opdaterede stjernens alder til 14,27 milliarder år. ”Konklusionen, der blev nået, var, at alderen er omkring 14 milliarder år, og igen, hvis man inkluderer alle kilder til usikkerhed - både i observationsmålingerne og den teoretiske modellering - er fejlen omkring 700 eller 800 millioner år, så der er ingen konflikt fordi 13,8 milliarder år ligger inden for stjernens fejlbjælke, ”sagde Bond.
Se nærmere på universets alder
For Bond er lighederne mellem alderen på universet og lighed med denne gamle nærliggende stjerne - som begge er bestemt af forskellige analysemetoder - "en fantastisk videnskabelig præstation, der giver meget stærkt bevis for Big Bang-billedet af universet ". Han sagde, at problemet med de ældste stjerners alder er langt mindre alvorligt, end det var i 1990'erne, da stjernernes alder nærmet sig 18 milliarder år, eller i et tilfælde 20 milliarder år. "Med usikkerheden omkring bestemmelserne er aldrene nu enige," sagde Bond.
Alligevel mener Matthews, at problemet endnu ikke er løst. Astronomer på en international konference af topkosmologer ved Kavli Institute for Theoretical Physics i Santa Barbara, Californien, i juli 2019, forundrede sig over undersøgelser, der antydede forskellige aldre for universet. De kiggede på målinger af galakser, der er relativt nærliggende, hvilket antyder, at universet er yngre med hundreder af millioner af år sammenlignet med den alder, der bestemmes af den kosmiske mikrobølgebakgrund.
Faktisk, langt fra at være 13,8 milliarder år gammelt, som estimeret af det europæiske Planck-rumteleskopets detaljerede målinger af kosmisk stråling i 2013, kan universet være så ung som 11,4 milliarder år. En af dem, der stod bag undersøgelserne, er Nobelprisvinderen Adam Riess fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.
Konklusionerne er baseret på ideen om et ekspanderende univers, som vist i 1929 af Edwin Hubble. Dette er grundlæggende for Big Bang - forståelsen af, at der engang var en tilstand af varm tæthed, der eksploderede og strækkede plads. Det angiver et udgangspunkt, der skal være målbart, men friske fund tyder på, at ekspansionsgraden faktisk er omkring 10% højere end den, der er foreslået af Planck.
Planck-teamet bestemte faktisk, at ekspansionshastigheden var 67,4 km per sekund pr. Megaparsek, men nyere målinger foretaget af universets ekspansionshastighed peger på værdier på 73 eller 74. Det betyder, at der er en forskel mellem målingen af, hvor hurtigt universet udvides i dag, og forudsigelserne om, hvor hurtigt det skal ekspanderes, er baseret på fysikken i det tidlige univers, sagde Riess. Det fører til en revurdering af accepterede teorier, mens den også viser, at der stadig er meget at lære om mørkt stof og mørk energi, som menes at være bag dette conundrum.
En højere værdi for Hubble-konstanten indikerer en kortere alder for universet. En konstant på 67,74 km pr. Sekund pr. Megaparsec ville føre til en alder på 13,8 milliarder år, mens en af 73, eller endda så høj som 77, som nogle studier har vist, ville indikere en universalder på ikke mere end 12,7 milliarder år. Det er en uoverensstemmelse, der igen antyder, at HD 140283 er ældre end universet. Det er også siden blevet afløst af en undersøgelse fra 2019, der blev offentliggjort i tidsskriftet Science, der foreslog en Hubble-konstant på 82,4 - hvilket antyder, at universets alder kun er 11,4 milliarder år.
Matthews mener, at svarene ligger i større kosmologisk forfining. ”Jeg formoder, at de observations-kosmologer har gået glip af noget, der skaber dette paradoks, snarere end de stjernernes astrofysikere,” sagde han og pegede på, at målingerne af stjernerne måske var mere præcise. "Det er ikke fordi kosmologerne på nogen måde er slørere, men fordi aldersbestemmelse af universet er underlagt mere og tvivlsom vanskeligere observations- og teoretiske usikkerheder end stjerner."
Så hvordan vil forskere finde ud af dette?
Hvad kan være at få universet til at virke yngre end netop denne stjerne?
"Der er to muligheder, og videnskabens historie antyder, at virkeligheden i sådanne tilfælde er en blanding af begge dele," sagde Matthews. "I dette tilfælde ville det være kilder til observationsfejl, som ikke er blevet fuldt ud forstået, plus nogle huller i teorien om universets dynamik, såsom styrken af mørk energi, der har været den primære drivkraft for den kosmiske ekspansion i mange milliarder af år nu. "
Han foreslår muligheden for, at det nuværende "aldersparadoks" afspejler tidsvariation i mørk energi, og dermed en ændring i accelerationshastigheden - en mulighed, som teoretikere har fundet, kan være forenelig med ideer om tyngdekraftens grundlæggende karakter, såsom såkaldt kausal sætteori. Ny forskning i gravitationsbølger kunne hjælpe med at løse paradokset, sagde Matthews.
For at gøre dette ville forskerne se på krusningerne i stoffet i rum og tid skabt af par af døde stjerner, snarere end at stole på den kosmiske mikrobølgebakgrund eller overvågningen af objekter i nærheden som Cepheid-variabler og supernovaer for at måle Hubble-konstanten - førstnævnte resulterede i en hastighed på 67 km pr. sekund pr. megaparsek og sidstnævnte i 73.
Problemet er, at måling af gravitationsbølger er ingen let opgave, da de kun blev direkte opdaget for første gang i 2015. Men ifølge Stephen Feeney, en astrofysiker ved Flatiron Institute i New York, kunne der ske et gennembrud i løbet af næste årti. Ideen er at indsamle data fra kollisioner mellem par af neutronstjerner ved hjælp af det synlige lys disse begivenheder udsender for at finde ud af hastigheden, de bevæger sig i forhold til Jorden. Det indebærer også at analysere de resulterende gravitationsbølger for en idé om afstand - som begge kan kombineres for at give en måling af Hubble-konstanten, der burde være den mest nøjagtige endnu.
Mysteriet fra HD 140283-alderen fører til noget større og mere videnskabeligt komplekst, der ændrer forståelsen for, hvordan universet fungerer.
Matthews. Præcis hvad det "noget" er, er det sikker på at holde astronomer udfordret i nogen tid.
Yderligere ressourcer:
