Už viac ako 100 rokov pozorujú astronómovia zvláštnu hviezdu vzdialenú asi 190 svetelných rokov od Zeme v súhvezdí Váhy. Rýchlo putuje po oblohe rýchlosťou 800 000 míľ za hodinu (1,3 milióna kilometrov za hodinu). Ale zaujímavejšie ako to, HD 140283 - alebo Metuzalej, ako je všeobecne známe - je tiež jednou z najstarších známych hviezd vesmíru.
V roku 2000 vedci hľadali doteraz hviezdu pomocou pozorovaní prostredníctvom satelitu Hipparcos Európskej vesmírnej agentúry (ESA), ktorý odhadoval vek 16 miliárd rokov. Takáto postava pôsobila skôr pútavo a tiež celkom bezradne. Ako zdôraznil astronóm Howard Bond z Pensylvánskej štátnej univerzity, vek vesmíru - určený z pozorovaní kozmického mikrovlnného pozadia - je 13,8 miliárd rokov. „Bola to vážna nezrovnalosť,“ povedal.
Predpovedaný vek hviezdy, vzatý na nominálnu hodnotu, vyvolal veľký problém. Ako môže byť hviezda staršia ako vesmír? Alebo naopak, ako by mohol byť vesmír mladší? Určite bolo jasné, že Metuzalém - pomenovaný podľa biblického patriarchy, ktorý údajne zomrel vo veku 969 rokov, čo z neho robí najdlhší život zo všetkých postáv v Biblii - bol starý, pretože kovbohatý subgiant je prevažne vyrobený z vodíka a hélium a obsahuje veľmi málo železa. Je to zloženie, ktoré znamenalo, že hviezda musela vzniknúť skôr, ako sa stalo bežným železom.
Ale o viac ako dve miliardy rokov staršie ako je jeho prostredie? To určite nie je možné.
Pri bližšom pohľade na vek Metuzaláma
Bond a jeho kolegovia si stanovili za úlohu zistiť, či táto počiatočná hodnota 16 miliárd bola správna. Pristúpili k viac ako 11 súborom pozorovaní, ktoré zaznamenali v rokoch 2003 až 2011 Fine Guidance Sensors Hubble Space Telescope, ktoré zaznamenávajú polohy, vzdialenosti a energetickú produkciu hviezd. Pri získavaní meraní paralaxy, spektroskopie a fotometrie bolo možné zistiť lepší zmysel pre vek.
„Jednou z neistôt s vekom HD 140283 bola presná vzdialenosť hviezdy,“ povedal Bond All About Space. „Bolo dôležité to napraviť, pretože dokážeme lepšie určiť jeho jas, a od tohto veku - čím jasnejšia je vnútorná svietivosť, tým mladšia je hviezda. Hľadali sme efekt paralaxy, čo znamenalo, že sme hviezdu sledovali šesť mesiacov. oddelene hľadať posun vo svojej polohe v dôsledku orbitálneho pohybu Zeme, ktorý nám hovorí o vzdialenosti. ““
V teoretickom modelovaní hviezd boli tiež neistoty, ako napríklad presná miera jadrových reakcií v jadre a dôležitosť prvkov rozptyľujúcich nadol vo vonkajších vrstvách. Pracovali na myšlienke, že zvyšné hélium difunduje hlbšie do jadra, a vďaka jadrovej fúzii zostane horieť menej vodíka. Pri rýchlejšej spotrebe paliva sa znižuje vek.
„Ďalším dôležitým faktorom bolo zo všetkého množstvo kyslíka v hviezde,“ povedal Bond. HD 140283 mal vyšší ako predpokladaný pomer kyslík-železo, a pretože kyslík nebol vo vesmíre po niekoľko miliónov rokov hojný, ukázal opäť na nižší vek hviezdy.
Bond a jeho spolupracovníci odhadli vek 140283 HD za 14,46 miliárd rokov - čo je výrazné zníženie oproti 16 miliardám, ktoré sa predtým tvrdili. To však bolo ešte viac ako vek samotného vesmíru, ale vedci predstavovali zvyškovú neistotu 800 miliónov rokov, čo podľa Bonda robí vek hviezdy kompatibilným s vekom vesmíru, aj keď to nebolo úplne dokonalé. ,
„Rovnako ako všetky namerané odhady podlieha náhodným aj systematickým chybám,“ uviedol fyzik Robert Matthews z Aston University v Birminghame vo Veľkej Británii, ktorý sa štúdie nezúčastnil. „Prekrývanie chybových riadkov naznačuje určité pravdepodobnosti kolízie s určením kozmologického veku,“ uviedol Matthews. „Inými slovami, najlepšie podporovaný vek hviezdy je v konflikte s vekom pre odvodený vek vesmíru a konflikt je možné vyriešiť iba posunutím chybových pruhov na ich extrémne hranice.“
Ďalšie vylepšenia spôsobili, že vek HD 140283 klesol o niečo viac. Následná štúdia z roku 2014 aktualizovala vek hviezdy na 14,27 miliárd rokov. „Dospelo sa k záveru, že vek je približne 14 miliárd rokov a ak znovu zahrneme všetky zdroje neistoty, tak do pozorovacích meraní, ako aj do teoretického modelovania, chyba je približne 700 alebo 800 miliónov rokov, takže nejde o konflikt pretože 13,8 miliárd rokov leží v chybovom pruhu hviezdy, “uviedol Bond.
Bližší pohľad na vek vesmíru
Pre Bonda je podobnosť medzi vekom vesmíru a vekom tejto starej blízkej hviezdy - ktorá bola určená rôznymi metódami analýzy - „úžasným vedeckým úspechom, ktorý poskytuje veľmi silný dôkaz o veľkom tresku vo vesmíre. ". Povedal, že problém s vekom najstarších hviezd je oveľa menej závažný ako v 90. rokoch, keď sa hviezdny vek blížil k 18 miliardám rokov, alebo v jednom prípade k 20 miliónom rokov. „S neistotou v rozhodovaní sa vek teraz zhoduje,“ povedal Bond.
Matthews sa napriek tomu domnieva, že problém ešte nebol vyriešený. Astronómovia na medzinárodnej konferencii špičkových kozmológov v Kavliho inštitúte pre teoretickú fyziku v Kalifornii v Santa Barbare v júli 2019 sa rozpačili nad štúdiami, ktoré naznačujú odlišný vek vesmíru. Pozerali sa na merania relatívne blízkych galaxií, ktoré naznačujú, že vesmír je mladší o stovky miliónov rokov v porovnaní s vekom určeným kozmickým mikrovlnným pozadím.
Podľa odhadov podrobného merania kozmického žiarenia Európskej vesmírnej sondy v roku 2013 môže vesmír byť až 13,8 miliardy rokov starý, ale vesmír môže byť až 11,4 miliardy rokov. Jedným z tých, ktorí stoja za štúdiom, je laureát Nobelovej ceny Adam Riess z Inštitútu pre vesmírny teleskop v Baltimore v Marylande.
Závery vychádzajú z myšlienky rozširujúceho sa vesmíru, ako ukázal Edwin Hubble v roku 1929. To je pre Veľký tresk zásadné - pochopenie, že kedysi bol stav horúcej hustoty, ktorý vybuchol a napínal priestor. Naznačuje to východiskový bod, ktorý by mal byť merateľný, ale nové zistenia naznačujú, že miera expanzie je v skutočnosti približne o 10% vyššia ako miera, ktorú navrhuje Planck.
Tím Planck skutočne stanovil, že miera expanzie bola 67,4 km za sekundu na megaparsec, ale novšie merania rýchlosti expanzie vesmírneho bodu boli vykonané na hodnotách 73 alebo 74. To znamená, že medzi meraniami rýchlosti je rozdiel. vesmír sa dnes rozširuje a predpovede toho, ako rýchlo by sa malo rozširovať na základe fyziky raného vesmíru, uviedla Riess. Vedie to k prehodnoteniu akceptovaných teórií a zároveň ukazuje, že je stále čo učiť o temnej hmote a temnej energii, o ktorých sa predpokladá, že sú za týmto hádankou.
Vyššia hodnota pre Hubbleovu konštantu znamená kratší vek vesmíru. Konštanta 67,74 km za sekundu na megaparsec by viedla k veku 13,8 miliárd rokov, zatiaľ čo jedna zo 73, alebo dokonca 77 rokov, ako ukazujú niektoré štúdie, by naznačovala vek vesmíru nie väčší ako 12,7 miliárd rokov. Je to nesúlad, ktorý znova naznačuje, že model HD 140283 je starší ako vesmír. Odvtedy ju tiež nahradila štúdia z roku 2019 uverejnená v časopise Science, ktorý navrhoval Hubbleov konštantný 82,4 - čo naznačuje, že vek vesmíru je iba 11,4 miliárd rokov.
Matthews verí, že odpovede spočívajú vo väčšom kozmologickom zdokonalení. „Mám podozrenie, že observačným kozmológom premeškali niečo, čo vytvára tento paradox, a nie hviezdne astrofyzikov,“ uviedol a poukázal na to, že merania hviezd sú možno ešte presnejšie. „Nie je to preto, že by kozmológovia boli v nijakom prípade sloppierovejší, ale preto, že určovanie veku vesmíru podlieha viac a pravdepodobne zložitejším pozorovacím a teoretickým neistotám ako u hviezd.“
Ako na to vedci prídu?
Čo by mohlo spôsobiť, že vesmír bude vyzerať mladšie ako táto konkrétna hviezda?
„Existujú dve možnosti a história vedy naznačuje, že v takýchto prípadoch je realita kombináciou oboch,“ povedal Matthews. „V tomto prípade by to boli zdroje pozorovacej chyby, ktorá nebola úplne pochopená, plus určité medzery v teórii dynamiky vesmíru, ako je sila temnej energie, ktorá bola hlavným hnacím motorom kozmickej expanzie. už veľa miliárd rokov. ““
Navrhuje možnosť, že súčasný „vekový paradox“ odráža časové zmeny temnej energie, a teda zmenu rýchlosti zrýchlenia - možnosť, ktorú teoretici zistili, by mohla byť zlučiteľná s predstavami o základnej povahe gravitácie, ako sú tzv. teória kauzálnych množín. Nový výskum gravitačných vĺn by mohol pomôcť vyriešiť paradox, uviedol Matthews.
Vedci by sa preto zamerali na vlnky v štruktúre priestoru a času, ktoré vytvorili páry mŕtvych hviezd, než aby sa spoliehali na kozmické mikrovlnné pozadie alebo na monitorovanie blízkych objektov, ako sú napríklad premenné Cefeida a supernovy, aby zmerali Hubbleov konštant - prvý spôsobil rýchlosť 67 km / s na megaparsec a druhý 73 km.
Problém je v tom, že meranie gravitačných vĺn nie je ľahkou úlohou, keďže boli zistené iba prvýkrát v roku 2015. Podľa Stephena Feeneyho, astrofyzika v Flatironovom inštitúte v New Yorku, však bolo možné dosiahnuť prielom. ďalšie desaťročie. Cieľom je zhromažďovať údaje zo zrážok medzi pármi neutrónových hviezd pomocou viditeľného svetla, ktoré tieto udalosti vysielajú, aby zistili rýchlosť, ktorú sa pohybujú vzhľadom na Zem. Zahŕňa to tiež analýzu výsledných gravitačných vĺn na predstavu vzdialenosti - ktoré sa môžu kombinovať a poskytnúť tak meranie Hubbleovej konštanty, ktoré by malo byť zatiaľ najpresnejšie.
Tajomstvo veku HD 140283 vedie k niečomu väčšiemu a vedecky zložitejšiemu, čo mení chápanie toho, ako vesmír funguje.
„Najpravdepodobnejším vysvetlením paradoxu je zanedbávaný pozorovací efekt a / alebo niečo veľké, čo nám chýba v chápaní dynamiky kozmického rozširovania,“ uviedol Matthews. Presne to, čo to „niečo“ je, je určite, aby astronómovia boli nejaký čas napadnutí.
Dodatočné zdroje:
