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為什麽科學家認為恒星 HD140283(瑪土撒拉星)比宇宙還要古老?

2020-07-31科學

人類觀測位於天秤座的HD140283已經有超過一個世紀了。這顆執行速度為每小時130萬公裏的恒星是宇宙中已知最古老的恒星。

2000年,根據歐洲天文局依巴谷衛星測量的數據計算出這顆恒星有160億年的壽命。這個數位對於文學家來說是個巨大的問題,因為根據微波背景放射線計算出的宇宙壽命為138億年。這就是天文學裏所謂的「年齡悖論」。

這顆恒星因此被冠以聖經中最長壽,活到969歲的瑪土撒拉的名字。它基本上由氫和氦組成,內部幾乎沒有鐵,這和它的高壽吻合,在這顆恒星形成時,宇宙中的鐵還是一種稀有物質。但一顆恒星怎麽可能比整個宇宙還要長壽20億年?

巡天計劃照片合成,HD140283距離我們190光年

賓夕法尼亞州立大學的天文學家霍華德·邦德和他的研究團隊專門深入探究了這個問題。他們先後仔細梳理了哈伯太空望遠鏡在2003到2011年間收集的數據,其中記錄了大量恒星的位置、距離和能量。透過考證各種不同的科學測量,他們希望能更準確地界定瑪土撒拉的年齡。

誤差之一可能來源於該恒星的精確距離,天文學家利用距離和恒星的視覺亮度計算出恒星的實際亮度,並由此估算恒星的年齡。實際亮度越亮,則恒星越年輕。而恒星的距離則是由視差測量的,即六個月間地球在公轉軌域的兩端時觀測到的恒星位置的微小變化估算的。

誤差之二來自於恒星的理論模型,如內核核反應的精確速度,以及恒星外層各種元素向內擴散的重要性等等。邦德的團隊認為恒星外層氦向內核擴散的程度比之前估計的更深,這麽一來核融合能夠燃燒的氫也就比估計的更少,恒星的年齡也會比估計的更小。

誤差之三來自於氧的富含量,瑪土撒拉中氧鐵比例比預測的高,在宇宙形成後的前幾百萬年裏,氧同樣是稀有元素,因此這可能表示瑪土撒拉比人們預計的更年輕。

邦德團隊最後得出的估計年齡是144.6億年,比之前的160億年要顯著減少,但依然比宇宙年齡更大。不過這個估計值有上下8億年的誤差,所以邦德認為這和宇宙的壽命並不沖突。

HD140283在夜空中的位置,星等7.2,需要望遠鏡才能看見

但是,英國伯明罕阿斯頓大學的物理學家勞勃·馬修斯提出了反對意見,他指出兩個帶有誤差的測量之間的交集大小代表這兩個測量一致的機率。換句話說,瑪土撒拉的年齡估計下限剛好趕在宇宙壽命估計的上限以內並不是一個令人滿意的結果,這只有在極小的機率下才會發生。

邦德的團隊於是在2014年又發表了進一步的研究,將瑪土撒拉的年齡估計縮小到了142.7億加減7到8億年的程度。他對此表示滿意,並提出用兩種不同的分析方法分別算出宇宙年齡和宇宙中最古老恒星年齡如此吻合實際上是對大霹靂理論的一種強烈肯定。

但馬修斯覺得這個問題並沒有完全解決。實際上,2019年7月在美國加州聖塔芭芭拉矩形的國際宇宙學家大會上,宇宙年齡到底多少的問題又再次浮上台面。包括2011年諾貝爾獎得主亞當·裏斯在內的天文學家在觀測相對靠近我們的星系時,發現宇宙的年齡可能比微波背景放射線預測的要小幾億年。

宇宙年齡這個概念的本質就來源於宇宙膨脹這一現象,而這份最新研究顯示宇宙膨脹的速度比之前估計的要快上約10%。2013年,透過歐洲普朗克太空望遠鏡觀測微波背景放射線的數據,科學家算出宇宙年齡為138億年這個現在廣為流傳的數位,當時得出的宇宙膨脹速度為每秒每兆秒差距67.4公裏。但最近的測量顯示這個數值應該在73、74左右。根據裏斯所說,這表示今天的宇宙膨脹速度測量和基於早期宇宙的物理學預測不符,現在接受的理論需要修正,同時也清楚暴露出人類對於暗物質和暗能量所知的不足。

宇宙膨脹速度,即哈伯常數的大小和宇宙年齡是直接掛鉤的,每秒每兆秒差距67.4公裏對應於138億年,每秒每兆秒差距73公裏則對應於127億年,2019年之後的最新估計甚至將該常數提到了82.4,這麽一來宇宙只有區區114億年歷史,如此一來,瑪土撒拉的年齡問題又無所安置了。

大霹靂模型

馬修斯對此是這麽說的:「宇宙學家和恒星天體物理學家之間我傾向於認為宇宙學家弄錯了,不是因為宇宙學家粗心,而是估算宇宙年齡需要的觀測和理論比估算恒星年齡更為復雜。」

他認為宇宙年齡估計的錯誤來源有兩種可能:一是存在目前還沒有完全理解的觀察誤差,二是宇宙演化模型的錯誤。根據科學史的經驗,真相往往是兩者兼具。他認為暗能量可能在時間尺度上有變化,之前物理學家曾提出過這一可能,並指出這可能和量子重力中的因果集理論相吻合。如果真的是這樣,最新的重力波研究也授權以解決「年齡悖論」。

當然,重力波第一次直接測量在2015,現在還存在很多困難。但是天體物理學家認為接下去十年裏我們將會獲得突破。目前有一個想法就是收集撞擊的中子星對發射的可見光來計算其到達地球用了多久,同時計算其重力波,兩者結合可以估算出哈伯常數,這提供了準確性超過微波背景放射線(算出每秒每兆秒差距67.4公裏)和觀測造父變星及超新星(算出每秒每兆秒差距73公裏)之外的一條新路。

最終,瑪土撒拉年齡之謎可能會讓我們更好理解宇宙的原理。迷底也許是一些被人忽略的重力效應,也許是對宇宙膨脹機制的更好理解。這也是天文學家未來幾年內致力解決的一個挑戰。

最古老恒星誕生想象圖