Již více než 100 let pozorují astronomové zvědavou hvězdu vzdálenou asi 190 světelných let od Země v souhvězdí Váhy. Rychle cestuje po obloze rychlostí 800 000 mph (1,3 milionu kilometrů za hodinu). Ale zajímavější než to, HD 140283 - nebo Metuzalám, jak je obecně známo - je také jednou z nejstarších známých hvězd vesmíru.
V roce 2000 vědci hledali dosud hvězdu pomocí pozorování prostřednictvím satelitu Hipparcos Evropské vesmírné agentury (ESA), který odhadoval věk 16 miliard let. Taková postava byla docela ohromující a také docela zmatená. Jak zdůraznil astronom Howard Bond z Pennsylvánské státní univerzity, věk vesmíru - stanovený z pozorování kosmického mikrovlnného pozadí - je 13,8 miliard let. „Byla to vážná nesrovnalost,“ řekl.
Předpokládaný věk hvězdy, vzatý na nominální hodnotu, vyvolal hlavní problém. Jak může být hvězda starší než vesmír? Nebo naopak, jak by mohl být vesmír mladší? Bylo jasné, že Metuzalám - pojmenovaný podle biblického patriarchy, o kterém se říká, že zemřel ve věku 969, což z něj činí nejdelší život ze všech postav v Bibli - byl starý, protože kovově chudý subgiant je převážně vyroben z vodíku a hélium a obsahuje velmi málo železa. Je to složení, které znamenalo, že hvězda musela vzniknout dříve, než se stalo běžným železem.
Ale o více než dvě miliardy let starší než jeho prostředí? To rozhodně není možné.
Bližší pohled na věk Metuzaléma
Bond a jeho kolegové si stanovili za úkol zjistit, zda byla počáteční částka 16 miliard přesná. Přistoupili k více než 11 sadám pozorování, které byly zaznamenány v letech 2003 až 2011 pomocí Fine Guidance Sensors Hubble Space Telescope, které zaznamenávají polohy, vzdálenosti a energetický výkon hvězd. Při získávání měření paralaxy, spektroskopie a fotometrie bylo možné určit lepší smysl pro věk.
„Jednou z nejistot s věkem HD 140283 byla přesná vzdálenost hvězdy,“ řekl Bond All About Space. "Bylo důležité, abychom to napravili, protože můžeme lépe určit jeho svítivost, a od tohoto věku - čím jasnější je vnitřní svítivost, tím mladší hvězda. Hledali jsme efekt paralaxy, což znamená, že jsme sledovali hvězdu šest měsíců." odděleně hledat posun ve své poloze kvůli orbitálnímu pohybu Země, který nám říká vzdálenost. "
V teoretickém modelování hvězd byly také nejasnosti, jako je přesná míra jaderných reakcí v jádru a důležitost prvků rozptylujících dolů ve vnějších vrstvách, řekl. Pracovali na myšlence, že zbytkové hélium difunduje hlouběji do jádra a díky jaderné fúzi nechává hořet méně vodíku. S rychlejší spotřebou paliva se věk snižuje.
"Dalším důležitým faktorem bylo, ze všeho, množství kyslíku ve hvězdě," řekl Bond. HD 140283 měl vyšší než předpokládaný poměr kyslíku k železu a protože kyslík nebyl ve vesmíru hojný po několik milionů let, ukázal znovu na nižší věk hvězdy.
Bond a jeho spolupracovníci odhadovali věk HD 140283 na 14,46 miliard let - výrazné snížení oproti 16 miliardám dříve nárokovaným. To však bylo ještě více než věk samotného vesmíru, ale vědci představovali zbytkovou nejistotu 800 milionů let, což podle Bonda říká, že věk hvězdy je slučitelný s věkem vesmíru, i když to nebylo úplně dokonalé .
„Stejně jako všechny měřené odhady podléhá náhodné i systematické chybě,“ uvedl fyzik Robert Matthews z Aston University v Birminghamu ve Velké Británii, který se studie nezúčastnil. "Překrývání chybových pruhů naznačuje určitou pravděpodobnost střetu s určením kosmologického věku," řekl Matthews. "Jinými slovy, nejlépe podporovaný věk hvězdy je v konfliktu s věkem pro odvozený věk vesmíru a konflikt lze vyřešit pouze posunutím chybových pruhů na jejich extrémní limity."
Další zdokonalení zaznamenala, že věk HD 140283 klesal o něco více. Následná studie z roku 2014 aktualizovala věk hvězdy na 14,27 miliard let. „Byl učiněn závěr, že věk je asi 14 miliard let, a opět, pokud jeden zahrnuje všechny zdroje nejistoty - jak v pozorovacích měřeních, tak v teoretickém modelování - chyba je asi 700 nebo 800 milionů let, takže nedochází ke konfliktu protože 13,8 miliard let leží v chybovém pruhu hvězdy, “řekl Bond.
Bližší pohled na věk vesmíru
Pro Bonda je podobnost mezi věkem vesmíru a věkem této staré blízké hvězdy - která byla určena různými metodami analýzy - „úžasným vědeckým úspěchem, který poskytuje velmi silný důkaz o velkém třesku obrazu vesmíru. ". Řekl, že problém s věkem nejstarších hvězd je mnohem méně závažný než v 90. letech, kdy se hvězdný věk blížil k 18 miliardám let, v jednom případě k 20 miliardám let. "Vzhledem k nejistotám rozhodování se věky nyní shodují," řekl Bond.
Matthews se přesto domnívá, že problém dosud nebyl vyřešen. Astronomové na mezinárodní konferenci špičkových kosmologů v Kavli Institutu pro teoretickou fyziku v Kalifornii v Santa Barbara v červenci 2019 se nechali hádat o studiích, které navrhovaly různý věk vesmíru. Dívali se na měření galaxií, které jsou relativně blízko, což naznačuje, že vesmír je mladší o stovky milionů let ve srovnání s věkem určeným kosmickým mikrovlnným pozadím.
Ve skutečnosti nemusí být vesmír ve věku 13,8 miliard let, jak je odhadováno v podrobných měřeních kosmického záření Evropským Planckem v roce 2013, vesmír až 11,4 miliardy let. Jedním z těch, kdo stojí za studiem, je nositel Nobelovy ceny Adam Riess z kosmického dalekohledu Science Institute v Baltimoru v Marylandu.
Závěry vycházejí z myšlenky rozšiřujícího se vesmíru, jak ukázal roku 1929 Edwin Hubble. To je pro Velký třesk zásadní - pochopení, že kdysi vybuchl stav horké hustoty a protáhl se prostor. Znamená to počáteční bod, který by měl být měřitelný, ale nová zjištění naznačují, že míra expanze je ve skutečnosti asi o 10% vyšší než ta, kterou navrhuje Planck.
Tým Planck skutečně stanovil, že míra expanze byla 67,4 km za sekundu na megaparsec, ale novější měření přijatá na rychlost rozpínání vesmíru ukazují na hodnoty 73 nebo 74. To znamená, že existuje rozdíl mezi měřením rychlosti vesmír se dnes rozšiřuje a předpovídá, jak rychle by se mělo rozšiřovat na základě fyziky raného vesmíru, řekla Riess. Vede to k přehodnocení přijatých teorií a zároveň ukazuje, že je stále co učit o temné hmotě a temné energii, o nichž se předpokládá, že jsou za tímto hádankou.
Vyšší hodnota Hubbleovy konstanty znamená kratší věk vesmíru. Konstanta 67,74 km za sekundu na megaparsec by vedla k věku 13,8 miliard let, zatímco jedna ze 73, nebo dokonce až 77, jak ukázaly některé studie, by naznačovala, že by vesmír nebyl vyšší než 12,7 miliard let. Je to nesoulad, který opět naznačuje, že HD 140283 je starší než vesmír. Od té doby byla také nahrazena studií z roku 2019 zveřejněnou v časopise Science, která navrhovala Hubbleův konstanta 82,4 - což naznačuje, že věk vesmíru je pouze 11,4 miliard let.
Matthews věří, že odpovědi spočívají ve větší kosmologické vylepšení. "Mám podezření, že observační kosmologové postrádali něco, co vytváří tento paradox, spíše než hvězdní astrofyzici," řekl a poukázal na možná přesnější měření hvězd. "Není to proto, že by kosmologové byli nějakým způsobem lichotivější, ale proto, že určování věku vesmíru podléhá více a patrně složitějším observačním a teoretickým nejistotám než u hvězd."
Jak na to vědci přijdou?
Co by mohlo vést k tomu, že by vesmír vypadal mladší než tato konkrétní hvězda?
"Existují dvě možnosti a historie vědy naznačuje, že v takových případech je realita směsicí obou," řekl Matthews. „V tomto případě by to byly zdroje pozorovací chyby, které nebyly zcela pochopeny, plus některé mezery v teorii dynamiky vesmíru, jako je síla temné energie, která byla hlavním hnacím motorem vesmírné expanze. už mnoho miliard let. “
Navrhuje možnost, že současný „věkový paradox“ odráží časové změny temné energie, a tedy změnu rychlosti zrychlení - možnost, kterou teoretici zjistili, by mohla být slučitelná s představami o základní povaze gravitace, jako je například tzv. teorie příčinných množin. Nový výzkum gravitačních vln by mohl pomoci vyřešit paradox, řekl Matthews.
Aby to bylo možné, vědci by se dívali na vlnky ve struktuře prostoru a času vytvořené dvojicemi mrtvých hvězd, namísto spoléhání se na kosmické mikrovlnné pozadí nebo sledování blízkých objektů, jako jsou Cefeidovy proměnné a supernovy, aby změřily Hubbleův konstant - první způsobil rychlost 67 km / s na megaparsec a druhý v 73.
Potíž je v tom, že měření gravitačních vln není snadný úkol, protože byly detekovány přímo poprvé v roce 2015. Podle Stephena Feeneyho, astrofyzika v Flatironově institutu v New Yorku, však bylo možné dosáhnout průlomu v průběhu příští desetiletí. Cílem je sbírat data z kolizí mezi páry neutronových hvězd pomocí viditelného světla, které tyto události vysílají, aby zjistily rychlost, kterou se pohybují vzhledem k Zemi. Zahrnuje to také analýzu výsledných gravitačních vln pro představu o vzdálenosti - obě se mohou kombinovat a poskytnout tak měření Hubbleovy konstanty, která by měla být dosud nejpřesnější.
Tajemství věku HD 140283 vede k něčemu většímu a vědecky složitějšímu, což mění chápání toho, jak vesmír funguje.
"Nejpravděpodobnějším vysvětlením paradoxu je přehlížený pozorovací efekt a / nebo něco velkého, co nám chybí v chápání dynamiky kosmického rozšíření," řekl Matthews. Přesně to, co to „něco“ je, je určitě udržet astronomy po určitou dobu zpochybněni.
Dodatečné zdroje:
