Повече от 100 години астрономите наблюдават любопитна звезда, разположена на около 190 светлинни години от Земята в съзвездието Везни. Бързо пътува през небето със 800 000 мили в час (1,3 милиона километра в час). Но по-интересното от това е, че HD 140283 - или Метусела, както е всеизвестно - също е една от най-старите известни звезди във Вселената.
През 2000 г. учените се опитаха да датират звездата с помощта на наблюдения чрез спътника Hipparcos на Европейската космическа агенция (ESA), който оцени възраст на 16 милиарда години. Подобна фигура беше доста умопомрачителна и също доста озадачаваща. Както посочи астрономът Хауърд Бонд от Държавния университет в Пенсилвания, възрастта на Вселената - определена от наблюденията на космическия микровълнов фон - е на 13,8 милиарда години. "Това беше сериозно разминаване", каза той.
Взета по номинална стойност, прогнозираната възраст на звездата породи основен проблем. Как една звезда може да бъде по-стара от Вселената? Или, обратно, как вселената може да бъде по-млада? Със сигурност беше ясно, че Метусалах - назован във връзка с библейски патриарх, за когото се твърди, че е починал на възраст 969 г., което го прави най-дълго живял от всички фигури в Библията - е бил стар, тъй като беднякът от бедни на метали предимно е направен от водород и хелий и съдържа много малко желязо. Съставът му означаваше, че звездата трябва да е възникнала преди желязото да стане обичайно.
Но повече от два милиарда години по-стари от средата си? Със сигурност това просто не е възможно.
Погледнете по-отблизо епохата на Метусела
Бонд и неговите колеги си поставиха задачата да установят дали тази първоначална цифра от 16 милиарда е или не. Те съпоставиха над 11 набора наблюдения, записани между 2003 и 2011 г. от сензорите за фино ориентиране на космическия телескоп Хъбъл, които отбелязват позициите, разстоянията и енергийния изход на звездите. При получаване на паралакс, спектроскопия и фотометрия може да се определи по-добро усещане за възрастта.
"Една от несигурностите с възрастта на HD 140283 беше точното разстояние на звездата", заяви Бонд пред All About Space. "Важно беше да се оправи това, защото можем по-добре да определим светимостта му и от това нейната възраст - колкото по-ярка е вътрешната светимост, толкова по-млада е звездата. Търсихме ефекта на паралакс, което означаваше, че гледаме звездата шест месеца освен да търсим изменението на позицията си поради орбиталното движение на Земята, което ни казва разстоянието. "
Имаше и несигурност в теоретичното моделиране на звездите, като точните скорости на ядрените реакции в ядрото и значението на разсейването на елементите надолу във външните слоеве, каза той. Те работиха върху идеята, че оставащият хелий дифундира по-дълбоко в ядрото, оставяйки по-малко водород да гори чрез ядрен синтез. При по-бързо използване на горивото възрастта се понижава.
„Друг важен фактор беше, на всички неща, количеството кислород в звездата“, каза Бонд. HD 140283 има по-голямо от предвиденото съотношение кислород-желязо и тъй като кислородът не е бил изобилен във Вселената в продължение на няколко милиона години, отново посочва по-ниска възраст за звездата.
Бонд и неговите сътрудници оценяват възрастта на HD 140283 за 14,46 милиарда години - значително намаление спрямо 16 милиарда, за които са заявени преди. Това обаче беше все още повече от епохата на самата Вселена, но учените поставиха остатъчна несигурност от 800 милиона години, което според Бонд направи възрастта на звездата съвместима с епохата на Вселената, въпреки че не беше напълно съвършена ,
"Както всички измерени оценки, той подлежи както на случайни, така и на систематични грешки", казва физикът Робърт Матюс от университета в Астън в Бирмингам, Великобритания, който не е участвал в изследването. "Припокриването в лентите за грешки дава известна индикация за вероятността от сблъсък с космологични определяния на възрастта", каза Матюс. "С други думи, най-добре поддържаната възраст на звездата е в конфликт с тази за производната епоха на Вселената и конфликтът може да бъде разрешен само чрез натискане на лентите за грешки до крайните им граници."
При по-нататъшните усъвършенствания възрастта на HD 140283 спада малко повече. Проучване за 2014 г. актуализира възрастта на звездата до 14,27 милиарда години. „Изводът е, че възрастта е около 14 милиарда години и отново, ако някой включва всички източници на несигурност - както в наблюдението, така и в теоретичното моделиране - грешката е около 700 или 800 милиона години, така че няма конфликт защото 13,8 милиарда години се намират в лентата за грешки на звездата ", каза Бонд.
Погледнете по-отблизо епохата на Вселената
За Бонд приликите между епохата на Вселената и тази на тази стара близка звезда - и двете са определени от различни методи на анализ - е „невероятно научно постижение, което предоставя много силни доказателства за картината на Големия взрив на Вселената ". Той каза, че проблемът с възрастта на най-старите звезди е далеч по-малко тежък, отколкото през 90-те години, когато звездната епоха наближава 18 милиарда години или, в един случай, 20 милиарда години. "С несигурността на определенията, възрастите сега се съгласяват", каза Бонд.
И все пак Матюс смята, че проблемът все още не е решен. Астрономите на международна конференция на топ космолози от Института за теоретична физика Кавли в Санта Барбара, Калифорния, през юли 2019 г. озадачаваха проучвания, които предполагаха различни възрасти за Вселената. Те разглеждаха измервания на галактики, които са сравнително наблизо, което предполага, че Вселената е по-млада със стотици милиони години в сравнение с възрастта, определена от космическия микровълнов фон.
В действителност, далеч от 13,8 милиарда години, според изчисленията на детайлните измервания на космическото излъчване на европейския космически телескоп през 2013 г., Вселената може да е едва на 11,4 милиарда години. Един от тези, които стоят зад изследванията, е нобеловият лауреат Адам Риес от Научния институт за космически телескопи в Балтимор, Мериленд.
Изводите се основават на идеята за разширяваща се вселена, както е показана през 1929 г. от Едвин Хъбъл. Това е основополагащо за Големия взрив - разбирането, че някога е имало състояние на гореща плътност, което избухна навън, простирайки се в пространството. Той показва начална точка, която трябва да бъде измерима, но свежи резултати показват, че степента на разширяване всъщност е около 10% по-висока от тази, предложена от Планк.
Всъщност екипът на Планк определи, че скоростта на разширение е 67,4 км в секунда на мегапарсек, но по-скорошните измервания на скоростта на разширение на Вселената сочат стойности 73 или 74. Това означава, че има разлика между измерването на това колко бързо Вселената се разширява днес и прогнозите колко бързо трябва да се разширява въз основа на физиката на ранната Вселена, каза Риес. Това води до преоценка на приетите теории, като същевременно показва, че има още много да научим за тъмната материя и тъмната енергия, които се смятат зад тази главоблъсканица.
По-високата стойност за Константата на Хъбъл показва по-кратка възраст за Вселената. Константата от 67,74 км в секунда на мегапарсек би довела до възраст от 13,8 милиарда години, докато едно от 73, или дори над 77, както показват някои проучвания, би посочило възраст на Вселената не по-голяма от 12,7 милиарда години. Това е несъответствие, което отново подсказва, че HD 140283 е по-стар от Вселената. Оттогава тя е заменена от проучване през 2019 г., публикувано в списанието Science, което предложи Константа на Хъбъл от 82,4 - което предполага, че възрастта на Вселената е само 11,4 милиарда години.
Матюс смята, че отговорите се крият в по-голямото космологично усъвършенстване. "Подозирам, че наблюдателните космолози са пропуснали нещо, което създава този парадокс, а не звездните астрофизици", каза той и посочи, че измерванията на звездите са може би по-точни. „Не защото космолозите са по някакъв начин по-слаби, а защото определянето на възрастта на Вселената е подложено на повече и спорно по-сложни наблюдения и теоретични несигурности от тези на звездите.“
И така, как учените ще разберат това?
Какво би могло да накара Вселената да изглежда по-млада от тази конкретна звезда?
"Има два варианта и историята на науката предполага, че в такива случаи реалността е смесица и от двете", каза Матюс. "В този случай това биха били източници на наблюдателна грешка, които не са напълно разбрани, плюс някои пропуски в теорията за динамиката на Вселената, като силата на тъмната енергия, която е основният двигател на космическата експанзия вече много милиарди години. "
Той предполага възможността настоящият „възрастов парадокс“ да отразява изменението във времето на тъмната енергия и по този начин промяна в скоростта на ускорение - вероятност теоретиците са открили, че е съвместима с идеи за фундаменталния характер на гравитацията, като т.нар. теория на причинните множества. Новите изследвания на гравитационните вълни могат да помогнат за разрешаването на парадокса, каза Матюс.
За целта учените биха разгледали вълничките в тъканта на пространството и времето, създадени от двойки мъртви звезди, вместо да разчитат на космическия микровълнов фон или наблюдението на близки обекти като променливи на Цефеид и свръхнови, за да измерват константата на Хъбъл - първият води до скорост от 67 км в секунда на мегапарсек, а втората в 73.
Проблемът е, че измерването на гравитационните вълни не е лесна задача, като се има предвид, че те бяха открити директно за пръв път през 2015 г. Но според Стивън Фини, астрофизик от Института Флатирон в Ню Йорк, може да се направи пробив в хода на следващото десетилетие. Идеята е да се събират данни от сблъсъци между двойки неутронни звезди, като се използва видимата светлина, която тези събития излъчват, за да се установи скоростта, която се движат спрямо Земята. Това също така включва анализ на получените гравитационни вълни за представа за разстояние - и двете могат да се комбинират, за да се даде измерване на Константата на Хъбъл, което трябва да бъде най-точното досега.
Загадката на епохата на HD 140283 води до нещо по-голямо и научно сложно, променящо разбирането за това как работи Вселената.
"Най-вероятните обяснения за парадокса са някакъв пренебрегнат наблюдателен ефект и / или нещо голямо, което липсва от нашето разбиране за динамиката на космическото разширяване", каза Матюс. Точно какво е това „нещо“, е сигурно да задържи астрономите предизвикателство за известно време.
Допълнителни ресурси:
