Tähtitieteilijät ovat yli 100 vuoden ajan tarkkailleet uteliaita tähtiä, jotka sijaitsevat noin 190 valovuoden päässä maapallosta Vaaka-aukiossa. Se kulkee nopeasti taivaan poikki nopeudella 800 000 mph (1,3 miljoonaa kilometriä tunnissa). Mutta kiinnostavampaa kuin se, HD 140283 - tai Methuselah, kuten se yleisesti tunnetaan - on myös yksi maailmankaikkeuden vanhimmista tunnetuista tähtiistä.
Vuonna 2000 tutkijat pyrkivät päivämäärään tähtien avulla havainnoimalla Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Hipparcos-satelliitin kautta, jonka ikä oli arviolta 16 miljardia vuotta vanha. Tällainen luku oli melko mielenhimoinen ja myös melko hämmentävä. Kuten Pennsylvanian osavaltion yliopiston tähtitieteilijä Howard Bond huomautti, maailmankaikkeuden ikä - määritettynä kosmisen mikroaaltotaustan havaintojen perusteella - on 13,8 miljardia vuotta vanha. "Se oli vakava ristiriita", hän sanoi.
Nimellisarvoon katsottuna tähden ennustettu ikä aiheutti suuren ongelman. Kuinka tähti voisi olla maailmankaikkeutta vanhempi? Tai päinvastoin, kuinka maailmankaikkeus voisi olla nuorempi? Oli varmasti selvää, että Metusela - joka nimettiin viitaten raamatun patriarkkaan, jonka sanotaan kuolleen 969-vuotiaana, mikä teki hänestä pisin elin kaikista Raamatun hahmoista - oli vanha, koska metalli-köyhä subgiant on pääosin vetyä ja helium ja sisältää hyvin vähän rautaa. Sen koostumus tarkoitti, että tähden on täytynyt syntyä ennen kuin rauta tuli yleiseksi.
Mutta yli kaksi miljardia vuotta vanhempi kuin ympäristönsä? Se ei todellakaan ole mahdollista.
Tarkastellaan tarkemmin Metuselaksen ikää
Bond ja hänen kollegansa asettivat itselleen tehtävän selvittää, oliko alkuperäinen 16 miljardin luvun paikkansapitävyys vai ei. He pitivät yli 11 havaintojoukkoa, jotka Habble Space Teleskoopin hienosäätötunnistimet olivat tallentaneet vuosien 2003 ja 2011 välillä ja jotka merkitsevät tähteiden sijainnit, etäisyydet ja energiantuotos. Hankittaessa parallaksia, spektroskopiaa ja fotometrisiä mittauksia voitaisiin määrittää parempi ikäntunne.
"Yksi epävarmuustekijöistä HD 140283: n iän suhteen oli tähden tarkka etäisyys", Bond kertoi All About Space -sivustolle. "Oli tärkeää saada tämä oikeus, koska voimme paremmin määrittää sen kirkkauden, ja siitä lähtien sen ikä - mitä kirkkaampi luontainen valoisuus, sitä nuorempi tähti. Etsimme parallaksi-ilmiötä, mikä tarkoitti sitä, että katselimme tähtiä kuusi kuukautta lisäksi etsimään muutosta sijaintiinsa maapallon kiertoradan vuoksi, joka kertoo meille etäisyyden. "
Tähtien teoreettisessa mallinnuksessa oli myös epävarmuustekijöitä, kuten ytimen ydinreaktioiden tarkat määrät ja ulkokerroksiin alaspäin leviävien elementtien merkitys, hän sanoi. He työskentelivät ajatuksen kanssa, että jäljelle jäävä heliumi diffundoituu syvemmälle ytimeen, jättäen vähemmän vetyä palamaan ydinfuusion kautta. Jos polttoainetta käytetään nopeammin, ikä alenee.
"Toinen tärkeä tekijä oli kaikessa tähden hapen määrä", Bond sanoi. HD 140283: lla oli ennakoitua korkeampi happo / raudasuhde ja koska happea ei ollut runsaasti universumissa muutaman miljoonan vuoden ajan, se osoitti jälleen tähden alhaisemmalle iälle.
Bond ja hänen yhteistyökumppaninsa arvioivat HD 140283: n ikäksi 14,46 miljardia vuotta - merkittävä vähennys aiemmin väitettyyn 16 miljardiin. Se oli kuitenkin vielä enemmän kuin itse maailmankaikkeuden ikä, mutta tutkijoiden aiheuttama 800 miljoonan vuoden jäännösvarmuus, jonka mukaan Bondin mukaan tähden ikä oli yhteensopiva maailmankaikkeuden iän kanssa, vaikka se ei ollutkaan täysin täydellinen .
"Kuten kaikki mitatut arviot, siihen kohdistuu sekä satunnaisia että systemaattisia virheitä", sanoi fyysikko Robert Matthews Astonin yliopistosta Birminghamissa, Iso-Britannia, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Virhepalkkien päällekkäisyys antaa jonkin verran todennäköisyyttä törmäyksestä kosmologisten ikämääritysten kanssa", Matthews sanoi. "Toisin sanoen, tähden parhaiten tuettu ikä on ristiriidassa maailmankaikkeuden johdetun ikän kanssa, ja konflikti voidaan ratkaista vain työntämällä virhepalkit äärimmäisiin rajoihinsa."
Jatkojalostuksissa HD 140283: n ikä laski hiukan enemmän. Vuoden 2014 seurantatutkimus päivitti tähden ikäksi 14,27 miljardia vuotta. "Päätelmä oli, että ikä on noin 14 miljardia vuotta, ja taas, jos kaikki epävarmuuden lähteet sisältävät - sekä havainnollisissa mittauksissa että teoreettisessa mallinnuksessa -, virhe on noin 700 tai 800 miljoonaa vuotta, joten konfliktia ei ole koska tähden virhepalkissa on 13,8 miljardia vuotta ", Bond sanoi.
Tarkastellaan tarkemmin maailmankaikkeuden ikää
Bondille yhtäläisyydet maailmankaikkeuden ja tämän vanhan lähellä olevan tähden ikä välillä - jotka molemmat on määritetty erilaisilla analyysimenetelmillä - ovat "uskomattomia tieteellisiä saavutuksia, jotka tarjoavat erittäin vahvan näytön maailmankaikkeuden Big Bang -kuvasta ". Hänen mukaansa vanhimpien tähtien iän ongelma on paljon vakavampi kuin 1990-luvulla, kun tähtien ikä oli lähestymässä 18 miljardia vuotta tai yhdessä tapauksessa 20 miljardia vuotta. "Määritelmien epävarmuustekijöiden myötä ikäryhmät ovat nyt yhtä mieltä", Bond sanoi.
Matthews uskoo kuitenkin, että ongelmaa ei ole vielä ratkaistu. Kalifornian Santa Barbaran Kavlin teoreettisen fysiikan instituutin kansainvälisessä huippukosmologien konferenssissa tähtitieteilijät hämmästelivät tutkimuksia, jotka ehdottivat maailmankaikkeuden eri ikäryhmiä. He tarkastelivat suhteellisen lähellä olevien galaksien mittauksia, jotka viittaavat siihen, että maailmankaikkeus on satoja miljoonia vuosia nuorempi kuin kosmisen mikroaaltotaustan määrittämä ikä.
Itse asiassa maailmankaikkeus voi olla kauan kuin 13,8 miljardia vuotta vanha, kuten arvioitiin Euroopan Planckin avaruusteskoopin kosmisen säteilyn yksityiskohtaisissa mittauksissa vuonna 2013, ja se voi olla jopa 11,4 miljardia vuotta vanha. Yksi tutkimuksen takana olevista henkilöistä on Nobelin palkittu Adam Riess Space Telescope Science Institute -laitoksesta Baltimoressa, Marylandissa.
Päätelmät perustuvat ajatukseen laajenevasta maailmankaikkeudesta, kuten Edwin Hubble esitti vuonna 1929. Tämä on ison räjähdyksen kannalta oleellista - käsitys siitä, että oli kerran kuuma tiheystila, joka räjähti ulos ja venytti tilaa. Se osoittaa lähtökohdan, jonka pitäisi olla mitattavissa, mutta tuoreet havainnot viittaavat siihen, että laajenemisaste on tosiasiassa noin 10 prosenttia korkeampi kuin Planckin ehdottama.
Itse asiassa Planck-joukkue päätti, että laajenemisnopeus oli 67,4 km sekunnissa / megaparsi, mutta viimeisimmät mittaukset, jotka tehtiin maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta, osoittavat arvoihin 73 tai 74. Tämä tarkoittaa, että mittausten välillä on ero maailmankaikkeus laajenee tänään ja ennusteet siitä, kuinka nopeasti sen tulisi laajentua, perustuvat varhaisen maailmankaikkeuden fysiikkaan, Riess sanoi. Se johtaa hyväksyttyjen teorioiden uudelleenarviointiin, samalla kun se osoittaa, että pimeästä aineesta ja tummasta energiasta, joiden uskotaan olevan tämän ratkaisun takana, on vielä paljon opittavaa.
Hubble-vakion korkeampi arvo osoittaa, että maailmankaikkeus on lyhyempi. Vakio 67,74 km sekunnissa / megaparsec johtaisi 13,8 miljardin vuoden ikään, kun taas yksi 73: sta tai jopa 77, kuten jotkut tutkimukset ovat osoittaneet, osoittaisi maailmankaikkeuden olevan enintään 12,7 miljardia vuotta. Se on epäsuhta, joka viittaa jälleen kerran siihen, että HD 140283 on vanhempi kuin maailmankaikkeus. Sen jälkeen se on myös korvattu Science-lehdessä julkaistulla 2019-tutkimuksella, joka ehdotti Hubble-vakiona 82,4: tä - mikä viittaa siihen, että maailmankaikkeuden ikä on vain 11,4 miljardia vuotta.
Matthews uskoo, että vastaukset ovat paremmassa kosmologisessa tarkennuksessa. "Epäilen, että havaitsevat kosmologit ovat huomanneet jotain, joka luo tämän paradoksin, tähtitieteellisten astrofysiikkojen sijasta", hän sanoi osoittaen, että tähdet ovat ehkä tarkempia. "Se ei johdu siitä, että kosmologit olisivat millään tavalla räikeämpiä, vaan koska maailmankaikkeuden ikämääritykseen liittyy enemmän ja kiistatta vaikeampaa havainnollista ja teoreettista epävarmuutta kuin tähtiä."
Joten miten tutkijat selvittävät tämän?
Mikä voi tehdä maailmankaikkeudesta mahdollisesti näyttämään nuoremmalta kuin tämä tietty tähti?
"On olemassa kaksi vaihtoehtoa, ja tieteen historia viittaa siihen, että tällaisissa tapauksissa todellisuus on sekoitus molempia", Matthews sanoi. "Tässä tapauksessa kyse olisi havaitsemisvirheen lähteistä, joita ei ole täysin ymmärretty, ja lisäksi joitain aukkoja maailmankaikkeuden dynamiikan teoriassa, kuten pimeän energian voimakkuus, joka on ollut kosmisen laajentumisen päätekijä. jo useita miljardeja vuosia. "
Hän ehdottaa mahdollisuutta, että nykyinen "ikäparadoksi" heijastaa pimeän energian ajanvaihtelua ja siten muutosta kiihtyvyysasteessa - mahdollisuus, jonka teoreetikot ovat löytäneet, saattavat olla yhteensopivia ajatusten kanssa painovoiman perusluonteesta, kuten ns. syy-asetusteoria. Uusi painovoima-aaltojen tutkimus voisi auttaa paradoksin ratkaisemisessa, Matthews sanoi.
Tätä varten tutkijat tarkastelisivat kuolleiden tähtiparien muodostamia avaruuden ja ajan kankaassa olevia aaltoja sen sijaan, että luottaisivat Hubble-vakion mittaamiseen kosmisen mikroaaltotaustan tai lähellä olevien esineiden, kuten Cepheid-muuttujien ja supernoovien, seurantaan - ensimmäisen tuloksena oli nopeus 67 km sekunnissa per megaparsi, ja jälkimmäisen nopeudeksi 73.
Ongelmana on, että painovoima-aaltojen mittaaminen ei ole helppoa, koska ne havaittiin vain ensimmäistä kertaa vuonna 2015. Mutta New Yorkin Flatiron-instituutin astrofysiikan Stephen Feeney totesi, että läpimurto voitaisiin tehdä vuoden aikana. ensi vuosikymmenellä. Ajatuksena on kerätä tietoja neutronitähtien parien välisistä törmäyksistä näiden tapahtumien lähettämän näkyvän valon avulla selvittääkseen nopeuden, jolla ne liikkuvat maan suhteen. Siihen sisältyy myös tuloksena olevien gravitaatioaaltojen analysointi etäisyyden ajatusta varten - molemmat voivat yhdistyä saadakseen Hubble-vakion mittauksen, jonka pitäisi olla vielä tarkin.
HD 140283 -kauden mysteeri johtaa johonkin isompaan ja tieteellisesti monimutkaisempaan, mikä muuttaa käsitystä maailmankaikkeuden toiminnasta.
"Todennäköisimmät selitykset paradoksille ovat jotkut huomioimattomat havaintovaikutukset ja / tai jotain suurta puuttuvaa ymmärryksestämme kosmisen laajenemisen dynamiikasta", Matthews sanoi. Juuri mikä tämä "jokin" on, pitää astronomit varmasti haastavana jonkin aikaa.
Lisäresurssit:
