На протяжении более 100 лет астрономы наблюдали любопытную звезду, расположенную на расстоянии около 190 световых лет от Земли в созвездии Весов. Он быстро путешествует по небу со скоростью 800 000 миль в час (1,3 миллиона километров в час). Но что еще интереснее, HD 140283 - или Метузела, как его обычно называют, - также одна из старейших известных звезд вселенной.
В 2000 году ученые пытались датировать звезду, используя наблюдения с помощью спутника Hipparcos Европейского космического агентства (ESA), возраст которого оценивается в 16 миллиардов лет. Такая фигура была довольно ошеломляющей, а также довольно озадачивающей. Как отметил астроном Говард Бонд из Университета штата Пенсильвания, возраст Вселенной, определенный по наблюдениям космического микроволнового фона, составляет 13,8 миллиардов лет. «Это было серьезное несоответствие», - сказал он.
Взятый по номиналу, предсказанный возраст звезды поднял главную проблему. Как звезда может быть старше вселенной? Или, наоборот, как Вселенная может быть моложе? Было совершенно очевидно, что Мафусаил - названный по имени библейского патриарха, который, как говорят, умер в возрасте 969 года, что сделало его самой долгоживущей из всех фигур в Библии, - был стар, поскольку бедный металлом субгигант преимущественно состоит из водорода и гелий и содержит очень мало железа. Его композиция означала, что звезда должна была появиться до того, как железо стало обычным явлением.
Но более чем на два миллиарда лет старше его окружающей среды? Конечно, это просто невозможно.
Присмотревшись к возрасту Мафусаила
Бонд и его коллеги поставили перед собой задачу выяснить, была ли эта первоначальная цифра в 16 миллиардов точной. Они собрали более 11 наборов наблюдений, которые были записаны в период с 2003 по 2011 год датчиками точного наведения космического телескопа Хаббла, которые регистрируют положения, расстояния и энергию звезд. При получении результатов параллакса, спектроскопии и фотометрии можно определить лучшее чувство возраста.
«Одной из неопределенностей с возрастом HD 140283 было точное расстояние от звезды», - сказал Бонд All About Space. «Важно было сделать это правильно, потому что мы можем лучше определить его светимость, и от этого его возраст - чем ярче внутренняя светимость, тем моложе звезда. Мы искали эффект параллакса, что означало, что мы смотрели на звезду шесть месяцев. кроме того, чтобы искать сдвиг в его положении из-за орбитального движения Земли, которая сообщает нам расстояние ".
По его словам, в теоретическом моделировании звезд были и неопределенности, такие как точные скорости ядерных реакций в ядре и важность элементов, диффундирующих вниз во внешних слоях. Они работали над идеей, что оставшийся гелий диффундирует глубже в ядро, оставляя меньше водорода для сжигания в результате ядерного синтеза. С использованием топлива быстрее, возраст уменьшается.
«Другим важным фактором было количество кислорода в звезде», - сказал Бонд. HD 140283 имел более высокое, чем прогнозировалось, отношение кислорода к железу, и, поскольку кислорода во Вселенной в течение нескольких миллионов лет не было в избытке, он снова указывал на более низкий возраст звезды.
Бонд и его сотрудники оценили возраст HD 140283 в 14,46 миллиарда лет - значительное сокращение по сравнению с 16 миллиардами, заявленными ранее. Это было, однако, все же больше, чем возраст самой вселенной, но ученые поставили остаточную неопределенность в 800 миллионов лет, которая, по словам Бонд, сделала возраст звезды совместимым с возрастом вселенной, даже если она не была полностью идеальной. ,
«Как и все измеренные оценки, он подвержен как случайным, так и систематическим ошибкам», - сказал физик Роберт Мэтьюз из Университета Астон в Бирмингеме, Великобритания, который не принимал участия в исследовании. «Перекрытие в столбцах ошибок дает некоторое представление о вероятности столкновения с космологическими определениями возраста», - сказал Мэтьюз. «Другими словами, наилучший поддерживаемый возраст звезды находится в противоречии с возрастом вселенной, и конфликт может быть разрешен только путем выдвижения полос ошибок до их крайних пределов».
Дальнейшие усовершенствования привели к тому, что возраст HD 140283 несколько снизился. Последующее исследование 2014 года обновило возраст звезды до 14,27 миллиардов лет. «Был сделан вывод, что возраст составляет около 14 миллиардов лет, и, опять-таки, если учесть все источники неопределенности - как в наблюдательных измерениях, так и в теоретическом моделировании - ошибка составляет около 700 или 800 миллионов лет, поэтому конфликта нет потому что 13,8 миллиардов лет находятся в пределах ошибки звезды », - сказал Бонд.
Присмотревшись к возрасту вселенной
Для Бонда сходство между возрастом вселенной и возрастом этой старой соседней звезды, которые были определены различными методами анализа, является «удивительным научным достижением, которое дает очень убедительные доказательства картины Большого взрыва вселенной». ». Он сказал, что проблема с возрастом самых старых звезд гораздо менее серьезна, чем в 1990-х годах, когда звездный возраст приближался к 18 миллиардам лет или, в одном случае, к 20 миллиардам лет. «С неопределенностью определений возрасты сейчас согласны», - сказал Бонд.
И все же Мэтьюз считает, что проблема еще не решена. Астрономы на международной конференции ведущих космологов в Институте теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре, штат Калифорния, в июле 2019 года ломали голову над исследованиями, которые предполагали разные возрасты Вселенной. Они смотрели на измерения относительно галактик, которые относительно близки, что предполагает, что вселенная моложе на сотни миллионов лет по сравнению с возрастом, определяемым космическим микроволновым фоном.
На самом деле, далеко не 13,8 миллиардов лет, как согласно детальным измерениям космического излучения Европейского космического телескопа в 2013 году по оценкам Европейского космического телескопа в 2013 году, Вселенная может достигать 11,4 миллиардов лет. Одним из тех, кто стоит за исследованиями, является нобелевский лауреат Адам Рисс из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд.
Выводы основаны на идее расширяющейся вселенной, как показано в 1929 году Эдвином Хабблом. Это основополагающее значение для Большого взрыва - понимания того, что когда-то возникло состояние горячей плотности, которое растянулось, растягивая пространство. Это указывает на отправную точку, которая должна быть измеримой, но свежие результаты предполагают, что скорость расширения фактически на 10% выше, чем предложенная Планком.
Действительно, команда Планка определила, что скорость расширения составляла 67,4 км в секунду на мегапарсек, но более поздние измерения скорости расширения вселенной указывают на значения 73 или 74. Это означает, что есть разница между измерением того, как быстро Вселенная расширяется сегодня и предсказания того, как быстро она должна расширяться, основаны на физике ранней вселенной, сказал Рисс. Это приводит к переоценке принятых теорий, а также показывает, что еще многое предстоит узнать о темной материи и темной энергии, которые, как считается, стоят за этой загадкой.
Более высокое значение для постоянной Хаббла указывает на более короткий возраст вселенной. Постоянная скорость 67,74 км в секунду на мегапарсек приведет к возрасту 13,8 миллиардов лет, тогда как один из 73, или даже 77, как показали некоторые исследования, будет указывать на возраст вселенной не более 12,7 миллиардов лет. Несоответствие еще раз говорит о том, что HD 140283 старше вселенной. С тех пор он также был заменен исследованием, опубликованным в журнале Science в 2019 году, в котором предложена постоянная Хаббла 82,4, что говорит о том, что возраст Вселенной составляет всего 11,4 миллиарда лет.
Мэтьюз полагает, что ответы лежат в большей космологической утонченности. «Я подозреваю, что космологи-наблюдатели упустили нечто, создающее этот парадокс, а не звездных астрофизиков», - сказал он, указывая на то, что измерения звезд, возможно, являются более точными. «Это не потому, что космологи в каком-то смысле более небрежны, а потому, что определение возраста Вселенной подвержено более и, возможно, более хитрым наблюдательным и теоретическим неопределенностям, чем звезды».
Итак, как ученые выяснят это?
Что может сделать вселенную потенциально моложе этой конкретной звезды?
«Есть два варианта, и история науки предполагает, что в таких случаях реальность представляет собой смесь обоих», - сказал Мэтьюз. «В этом случае это были бы источники ошибок наблюдений, которые не были полностью поняты, плюс некоторые пробелы в теории динамики вселенной, такие как сила темной энергии, которая была основным двигателем космического расширения. в течение многих миллиардов лет ".
Он предполагает возможность того, что нынешний «парадокс возраста» отражает изменение во времени темной энергии, и, следовательно, изменение скорости ускорения. Теоретики, которые, как обнаружили теоретики, могут быть совместимы с идеями о фундаментальной природе гравитации, такими как так называемые теория причинных множеств. По словам Мэтьюса, новое исследование гравитационных волн может помочь разрешить этот парадокс.
Чтобы сделать это, ученые будут смотреть на рябь в ткани пространства и времени, созданную парами мертвых звезд, а не полагаться на космический микроволновый фон или мониторинг близлежащих объектов, таких как переменные цефеиды и сверхновые, для измерения константы Хаббла - первый дает скорость 67 км в секунду на мегапарсек, а второй - 73.
Проблема в том, что измерение гравитационных волн - непростая задача, поскольку они впервые были обнаружены только в 2015 году. Но, по словам Стивена Фини, астрофизика из Института Флэтайрон в Нью-Йорке, прорыв может быть сделан в ходе исследования. следующее десятилетие Идея состоит в том, чтобы собрать данные о столкновениях между парами нейтронных звезд, используя видимый свет, излучаемый этими событиями, чтобы определить скорость, с которой они движутся относительно Земли. Это также влечет за собой анализ возникающих гравитационных волн на предмет представления о расстоянии - оба они могут объединиться, чтобы дать измерение постоянной Хаббла, которое должно быть наиболее точным из всех.
Тайна эпохи HD 140283 ведет к чему-то большему и более сложному с научной точки зрения, изменяя понимание того, как работает Вселенная.
«Наиболее вероятным объяснением этого парадокса является неучтенный наблюдательный эффект и / или нечто существенное, отсутствующее в нашем понимании динамики космического расширения», - сказал Мэтьюз. Именно то, что это «что-то», наверняка заставит астрономов бросить вызов на некоторое время.
Дополнительные ресурсы:
