Понад 100 років астрономи спостерігали за цікавою зіркою, яка знаходилася приблизно за 190 світлових років від Землі в сузір'ї Терезів. Він швидко подорожує по небу зі швидкістю 800 000 миль / год (1,3 мільйона кілометрів на годину). Але цікавіше того, що HD 140283 - або Метусела, як відомо, - також є однією з найстаріших відомих зірок у Всесвіті.
У 2000 році вчені прагнули побачити зірку за допомогою спостережень через супутник Гіппаркоса Європейського космічного агентства (ESA), який оцінив вік 16 мільярдів років. Така фігура була досить вражаючою, а також досить приголомшливою. Як зазначив астроном Говард Бонд з Пенсильванський державний університет, вік Всесвіту - визначений за спостереженнями космічного мікрохвильового фону - становить 13,8 мільярдів років. "Це була серйозна розбіжність", - сказав він.
Очікуваний вік зірки сприйняв велику проблему. Як зірка могла бути старшою за всесвіт? Або, навпаки, як Всесвіт може бути молодшим? Безумовно було зрозуміло, що Метусела - названий посиланням на біблійного патріарха, який, як кажуть, помер у віці 969 р., Завдяки чому він найдовше жив з усіх фігур Біблії - був старим, оскільки бідний у металах предстоятель переважно виготовлений з водню а гелій і містить дуже мало заліза. Його композиція означала, що зірка, мабуть, виникла ще до того, як залізо стало звичним явищем.
Але більш ніж на два мільярди років старше свого середовища? Звичайно, це просто неможливо.
Придивившись ближче до віку Метусели
Бонд та його колеги поставили перед собою завдання з'ясувати, чи точно ця початкова цифра в 16 мільярдів точна. Вони порівнювали понад 11 наборів спостережень, які були зафіксовані між 2003 та 2011 роками датчиками тонкої орієнтації космічного телескопа Хаббла, які фіксують положення, відстані та вихід енергії зірок. Отримавши паралакс, спектроскопію та фотометрію, можна визначити краще відчуття віку.
"Однією з невизначеностей з віком HD 140283 була точна відстань до зірки", - розповів Бонд All About Space. "Важливо було правильно це зробити, тому що ми можемо краще визначити його світність, а з цього її вік - чим яскравіша внутрішня світність, тим молодша зірка. Ми шукали ефект паралакса, який означав, що ми переглядали зірку півроку окрім того, щоб шукати зсув свого положення за рахунок орбітального руху Землі, який говорить нам про відстань ».
Він також зазначив невизначеності в теоретичному моделюванні зірок, такі як точні темпи ядерних реакцій в ядрі та важливість елементів, що розсіюються вниз у зовнішніх шарах, сказав він. Вони працювали над ідеєю, що залишок гелію дифундує глибше до ядра, залишаючи менше водню для спалення ядерного синтезу. При швидкому використанні палива вік знижується.
"Ще одним важливим фактором було, в першу чергу, кількість кисню в зірці", - сказав Бонд. HD 140283 мав більш високе, ніж передбачуване, відношення кисню до заліза, і оскільки кисню не було в усьому Всесвіті протягом кількох мільйонів років, це знову вказувало на нижчий вік для зірки.
Бонд та його співробітники оцінили, що вік HD 140283 склав 14,46 мільярда років - значне зниження на 16 мільярдів, про які заявляли раніше. Це, однак, було ще більше, ніж вік самої Всесвіту, але вчені створили залишкову невизначеність 800 мільйонів років, що, за словами Бонда, зробило вік зірки сумісним із віком Всесвіту, навіть якщо це було не зовсім ідеально .
"Як і всі вимірювані оцінки, він піддається як випадковій, так і систематичній помилках", - сказав фізик Роберт Меттьюз з університету Астона в Бірмінгемі, Великобританія, який не брав участі в дослідженні. "Перекриття в смугах помилок дає певну вказівку на ймовірність зіткнення з космологічними віковими визначеннями", - сказав Меттьюз. "Іншими словами, найкраще підтримуваний вік зірки суперечить тому, що є для похідного століття Всесвіту, і конфлікт може бути вирішений лише шляхом висунення смуг помилок до їхніх крайніх меж".
Подальші вдосконалення показали, що вік HD 140283 зменшився трохи більше. Наступне дослідження 2014 року оновило вік зірки до 14,27 мільярда років. "Зроблено висновок, що вік становить близько 14 мільярдів років, і, знову ж таки, якщо включити всі джерела невизначеності - і в спостережних вимірах, і в теоретичному моделюванні - помилка становить приблизно 700 або 800 мільйонів років, тому конфлікту немає. тому що 13,8 мільярдів років лежить в межах помилки зірки ", - сказав Бонд.
Придивившись ближче до віку Всесвіту
Для Бонда схожість між епохою Всесвіту та цією давньою сусідньою зіркою - обидві вони були визначені різними методами аналізу - "дивовижне наукове досягнення, яке дає дуже вагомі докази для картини Всесвіту Великого вибуху ". Він сказав, що проблема з віком найдавніших зірок набагато менш серйозна, ніж це було у 90-х роках, коли зоряні віки наближалися до 18 мільярдів років або, в одному випадку, 20 мільярдів років. "З невизначеностями детермінацій зараз погоджуються віки", - сказав Бонд.
Проте Меттьюс вважає, що проблема ще не була вирішена. Астрономи на міжнародній конференції кращих космологів Інституту теоретичної фізики Кавлі в Санта-Барбарі, штат Каліфорнія, у липні 2019 року були спантеличені дослідженнями, які пропонували різні епохи для Всесвіту. Вони дивилися на вимірювання галактик, які знаходяться відносно поблизу, що дозволяє припустити, що Всесвіт молодший на сотні мільйонів років порівняно з віком, визначеним космічним мікрохвильовим фоном.
Насправді, далеко не 13,8 мільярдів років, як підрахували детальні вимірювання космічного випромінювання Європейським космічним телескопом у 2013 році, Всесвіт може становити лише 11,4 мільярда років. Одним із тих, хто стоїть за дослідженнями, є лауреат Нобелівської премії Адам Рісс з Наукового інституту космічного телескопа в Балтіморі, штат Меріленд.
Висновки ґрунтуються на ідеї всесвіту, що розширюється, як показав у 1929 році Едвін Хаббл. Це є основоположним для Великого вибуху - розуміння того, що колись був стан гарячої щільності, який вибухнув, розтягнувши простір. Він вказує на вихідну точку, яка повинна бути вимірюваною, але свіжі результати свідчать про те, що швидкість розширення насправді приблизно на 10% вище, ніж запропонована Планком.
Дійсно, команда Планка визначила, що швидкість розширення становила 67,4 км в секунду на мегапарсек, але більш пізні вимірювання швидкості розширення Всесвіту вказують на значення 73 або 74. Це означає, що різниця між вимірюванням швидкості розширення сьогодні Всесвіт розширюється, і прогнози того, як швидко він повинен розширюватися, грунтуються на фізиці раннього Всесвіту, сказав Рісс. Це призводить до переоцінки прийнятих теорій, а також показує, що ще багато чого можна дізнатися про темну матерію та темну енергію, які, як вважають, стоять за цією загадкою.
Більш високе значення для Константи Хаббла вказує на менший вік Всесвіту. Постійна швидкість 67,74 км в секунду на мегапарсек призвела б до віку 13,8 мільярда років, тоді як один із 73, або навіть до 77, як показали деякі дослідження, вказував би на вік Всесвіту не більше 12,7 мільярда років. Це невідповідність, що вкотре говорить про те, що HD 140283 старший за всесвіт. З того часу це було витіснене дослідженням у 2019 році, опублікованим у журналі Science, який запропонував константу Хаббла 82,4 - припускаючи, що вік Всесвіту становить лише 11,4 мільярда років.
Меттьюз вважає, що відповіді лежать у більшому космологічному вишуканості. "Я підозрюю, що спостерігачі-космологи пропустили щось, що створює цей парадокс, а не зоряні астрофізики", - сказав він, вказуючи, що вимірювання зірок, можливо, більш точні. "Це не тому, що космологи в будь-якому випадку хитріші, а тому, що визначення віку Всесвіту підлягає більшій і, мабуть, більш жорсткій спостережливій та теоретичній невизначеності, ніж у зірок".
Отже, як вчені це зрозуміють?
Що може зробити так, щоб Всесвіт потенційно виглядала молодшою за цю зірку?
"Є два варіанти. Історія науки говорить про те, що в таких випадках реальність є сумішшю обох", - сказав Меттьюз. "У цьому випадку це були б джерела помилок спостереження, які не були повністю зрозумілі, а також деякі прогалини в теорії динаміки Всесвіту, такі як сила темної енергії, яка була головним рушієм космічного розширення. вже багато мільярдів років ».
Він припускає можливість того, що поточний "віковий парадокс" відображає коливання темної енергії в часі, і, таким чином, зміна швидкості прискорення - можливо, теоретики виявили, що вони можуть бути сумісні з уявленнями про фундаментальну природу сили тяжіння, наприклад, т.зв. теорія причинних множин. Нові дослідження гравітаційних хвиль можуть допомогти розв'язати парадокс, сказав Метьюз.
Для цього вчені дивилися на брижі в тканині простору та часу, створені парами мертвих зірок, а не покладаються на космічний мікрохвильовий фон або моніторинг довколишніх об'єктів, таких як змінні Цефеїда та наднови для вимірювання постійної Хаббла - перший приводив до швидкості 67 км на секунду на мегапарсек, а другий у 73.
Проблема полягає в тому, що вимірювання гравітаційних хвиль не є легким завданням, враховуючи, що вони були вперше виявлені безпосередньо в 2015 році. Але за словами Стівена Фіні, астрофізика Інституту Флатірона в Нью-Йорку, прорив міг бути здійснений протягом курсу наступне десятиліття. Ідея полягає в тому, щоб збирати дані від зіткнень між парами нейтронних зірок, використовуючи видиме світло, яке ці події випромінюють, щоб з'ясувати швидкість, яку вони рухаються відносно Землі. Це також тягне за собою аналіз отриманих гравітаційних хвиль для уявлення про відстань - обидві вони можуть поєднуватися, щоб дати вимірювання Константи Хаббла, яке повинно бути найбільш точним поки що.
Таємниця віку HD 140283 призводить до чогось більшого і науково складного, що змінює розуміння того, як працює Всесвіт.
"Найбільш вірогідні пояснення парадоксу - це якийсь не помічений ефект спостереження та / або щось велике, що не вистачає в нашому розумінні динаміки космічного розширення", - сказав Меттьюз. Саме те, що "щось", - це, безперечно, астрономам певний час.
Додаткові ресурси:
