I mer än 100 år har astronomer observerat en nyfiken stjärna som ligger ungefär 190 ljusår från Jorden i konstellationen Vågen. Den reser snabbt över himlen med 800 000 km / h (1,3 miljoner kilometer i timmen). Men mer intressant än så är HD 140283 - eller Methuselah som det är allmänt känt - också en av universums äldsta kända stjärnor.
År 2000 sökte forskare hittills stjärnan med hjälp av observationer via European Space Agency (ESA) Hipparcos satellit, som uppskattade en ålder av 16 miljarder år gammal. En sådan figur var ganska iögonfallande och också ganska förbryllande. Som astronomen Howard Bond från Pennsylvania State University påpekade är universitetens ålder - bestämd från observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden - 13,8 miljarder år gammal. "Det var ett allvarligt avvikelse," sade han.
Tagen till nominellt värde väckte stjärnans förutspådda ålder ett stort problem. Hur kan en stjärna vara äldre än universum? Eller omvänt, hur kan universum vara yngre? Det var verkligen tydligt att Methuselah - namngiven med hänvisning till en bibelsk patriark som sägs ha dött i åldern 969, vilket gjorde honom till den längstlivade av alla figurerna i Bibeln - var gammal, eftersom den metallfattiga subgianten främst är gjord av väte och helium och innehåller mycket lite järn. Dess sammansättning innebar att stjärnan måste ha blivit till innan järn blev vanligt.
Men mer än två miljarder år äldre än miljön? Visst är det helt enkelt inte möjligt.
Titta närmare på Methuselahs ålder
Bond och hans kollegor arbetade med att ta reda på om den ursprungliga siffran på 16 miljarder var korrekt. De porerade över 11 uppsättningar av observationer som hade spelats in mellan 2003 och 2011 av Fine Guidance Sensors of the Hubble Space Telescope, som noterar de stjärnor, avstånd och energiproduktion från stjärnor. Vid förvärv av parallax-, spektroskopi- och fotometri-mätningar kunde en bättre känsla av ålder bestämmas.
"En av osäkerheterna med HD 140283-åldern var stjärnans exakta avstånd," sade Bond till All About Space. "Det var viktigt att få detta rätt eftersom vi bättre kan bestämma dess ljusstyrka, och utifrån dess ålder - desto ljusare den inneboende ljusstyrkan, desto yngre stjärnan. Vi letade efter parallaxeffekten, vilket innebar att vi tittade på stjärnan sex månader bortsett från att leta efter förändringen i dess position på grund av jordens rörelse, som berättar avståndet. "
Det fanns också osäkerheter i den teoretiska modelleringen av stjärnorna, till exempel de exakta hastigheterna för kärnreaktioner i kärnan och vikten av att element diffunderar nedåt i de yttre skikten, sade han. De arbetade med tanken på att rester av helium diffunderar djupare i kärnan och lämnar mindre väte att bränna via kärnfusion. Med snabbare bränsle sänks åldern.
"En annan faktor som var viktig var, av allt, mängden syre i stjärnan," sade Bond. HD 140283 hade ett högre än förutsagt syre-till-järn-förhållande och eftersom syre inte var rikligt i universum på några miljoner år pekade det igen på en lägre ålder för stjärnan.
Bond och hans kollaboratörer uppskattade HD 140283: s ålder till 14,46 miljarder år - en betydande minskning av de 16 miljarder som tidigare hävdats. Det var emellertid fortfarande mer än universumets ålder, men forskarna utgjorde en kvarvarande osäkerhet på 800 miljoner år, vilket Bond sa att stjärnans ålder var förenlig med universumets ålder, även om den inte var helt perfekt .
"Som alla uppskattade uppskattningar är det föremål för både slumpmässigt och systematiskt fel", säger fysiker Robert Matthews från Aston University i Birmingham, Storbritannien, som inte var inblandad i studien. "Överlappningen i felstegen ger en viss indikation på sannolikheten för en kollision med kosmologiska åldersbestämningar," sade Matthews. "Med andra ord är stjärnans bästa stödda ålder i konflikt med den för universums härledda ålder, och konflikten kan bara lösas genom att föra felfältet till deras extrema gränser."
Ytterligare förbättringar såg åldern HD 140283 falla lite mer. En uppföljningsstudie 2014 uppdaterade stjärnans ålder till 14,27 miljarder år. "Slutsatsen nåddes var att åldern är ungefär 14 miljarder år, och återigen, om man inkluderar alla källor till osäkerhet - både i observationsmätningarna och den teoretiska modelleringen - är felet cirka 700 eller 800 miljoner år, så det finns ingen konflikt eftersom 13,8 miljarder år ligger inom stjärnans felstång, "sade Bond.
Titta närmare på universums ålder
För Bond är likheterna mellan universumets ålder och den här gamla närliggande stjärnan - som båda har bestämts med olika analysmetoder - "en fantastisk vetenskaplig prestation som ger mycket starkt bevis för Big Bang-bilden av universum ". Han sa att problemet med åldern för de äldsta stjärnorna är mycket mindre allvarligt än det var på 1990-talet då stellaråldern närmade sig 18 miljarder år, eller i ett fall 20 miljarder år. "Med osäkerheten i bestämmelserna är åldrarna nu överens," sade Bond.
Ändå anser Matthews att problemet ännu inte har lösts. Astronomer vid en internationell konferens med toppkosmologer vid Kavli Institute for Theoretical Physics i Santa Barbara, Kalifornien, i juli 2019, förbryllade över studier som antydde olika åldrar för universum. De tittade på mätningar av galaxer som är relativt nära, vilket antyder att universum är yngre av hundratals miljoner år jämfört med den ålder som bestäms av den kosmiska mikrovågsbakgrunden.
I själva verket långt ifrån att vara 13,8 miljarder år gammalt, som beräknats av det europeiska rymdteleskopets detaljerade mätningar av kosmisk strålning 2013, kan universum vara så ungt som 11,4 miljarder år. En av dem som ligger bakom studierna är nobelpristagaren Adam Riess från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland.
Slutsatserna är baserade på idén om ett expanderande universum, som visas 1929 av Edwin Hubble. Detta är grundläggande för Big Bang - förståelsen att det en gång var ett tillstånd av het densitet som exploderade ut och sträckte utrymmet. Det indikerar en utgångspunkt som bör vara mätbar, men nya resultat tyder på att expansionsgraden faktiskt är cirka 10% högre än den som Planck föreslog.
Planck-teamet bestämde faktiskt att expansionshastigheten var 67,4 km per sekund per megaparsek, men nyare mätningar gjorda av universums expansionshastighet pekar på värden 73 eller 74. Det betyder att det är en skillnad mellan mätningen av hur snabbt universum expanderar idag och förutsägelserna om hur snabbt det ska expanderas baserat på fysiken i det tidiga universum, sade Riess. Det leder till en omprövning av accepterade teorier och samtidigt visar att det fortfarande finns mycket att lära sig om mörk materia och mörk energi, som tros ligga bakom denna krig.
Ett högre värde för Hubble-konstanten indikerar en kortare ålder för universum. En konstant på 67,74 km per sekund per megaparsek skulle leda till en ålder på 13,8 miljarder år, medan en av 73, eller till och med så hög som 77 som vissa studier har visat, skulle indikera en universumålder som inte är större än 12,7 miljarder år. Det är ett missförstånd som än en gång antyder att HD 140283 är äldre än universum. Det har dessutom ersatts av en studie från 2019 publicerad i tidskriften Science som föreslog en Hubble Constant på 82,4 - vilket antyder att universumets ålder bara är 11,4 miljarder år.
Matthews tror att svaren ligger i större kosmologisk förfining. "Jag misstänker att de observativa kosmologerna har missat något som skapar denna paradox snarare än de stellar astrofysikerna," sade han och pekade på att mätningarna av stjärnorna kanske var mer exakta. "Det är inte för att kosmologerna på något sätt är slappare, utan för att åldersbestämning av universum är föremål för mer och utan tvekan svårare observationer och teoretiska osäkerheter än stjärnorna."
Så, hur kommer forskare att räkna ut detta?
Vad skulle kunna göra att universum potentiellt verkar yngre än just denna stjärna?
"Det finns två alternativ, och vetenskapens historia antyder att verkligheten i sådana fall är en blandning av båda," sade Matthews. "I det här fallet skulle det vara källor till observationsfel som inte helt har förstått, plus några luckor i teorin om universumets dynamik, såsom styrkan hos mörk energi, som har varit den främsta drivkraften för den kosmiska expansionen. i många miljarder år nu. "
Han föreslår möjligheten att den nuvarande "åldersparadoxen" återspeglar tidsvariation i mörk energi, och därmed en förändring i accelerationshastigheten - en möjlighet som teoretiker har funnit kan vara förenlig med idéer om den tyngdkraftens grundläggande karaktär, som så kallad kausal uppsättningsteori. Ny forskning om gravitationsvågor kan hjälpa till att lösa paradoxen, sade Matthews.
För att göra detta skulle forskare titta på krusningarna i rymden och tidens tyg skapade av par döda stjärnor, snarare än att förlita sig på den kosmiska mikrovågsbakgrunden eller övervakningen av närliggande föremål som Cepheid-variabler och supernovaer för att mäta Hubble Constant - det förstnämnda resulterade i en hastighet på 67 km per sekund per megaparsek och den senare på 73.
Problemet är att mäta gravitationsvågor är ingen enkel uppgift, eftersom de bara direkt upptäcktes för första gången 2015. Men enligt Stephen Feeney, en astrofysiker vid Flatiron Institute i New York, kunde ett genombrott göras under loppet av nästa decennium. Tanken är att samla in data från kollisioner mellan par av neutronstjärnor med hjälp av det synliga ljuset som dessa händelser avger för att räkna ut hastigheten de rör sig relativt Jorden. Det innebär också att analysera de resulterande gravitationsvågorna för en idé om avstånd - som båda kan kombineras för att ge en mätning av Hubble-konstanten som borde vara den mest exakta än.
Mysteriet från åldern HD 140283 leder till något större och mer vetenskapligt komplicerat, vilket förändrar förståelsen för hur universum fungerar.
"De mest troliga förklaringarna till paradoxen är en viss förbisedd observationseffekt och / eller något stort som saknas i vår förståelse av dynamiken i den kosmiska expansionen," sade Matthews. Exakt vad det "något" är, är säkert att hålla astronomer utmanade under en tid.
Ytterligare resurser:
