Selama lebih dari 100 tahun, para astronom telah memerhatikan bintang yang ingin tahu yang terletak kira-kira 190 tahun cahaya dari Bumi dalam buruj Libra. Ia pantas melintasi langit pada 800,000 mph (1.3 juta kilometer sejam). Tetapi lebih menarik daripada itu, HD 140283 - atau Metuselah seperti yang diketahui umum - juga merupakan salah satu daripada bintang-bintang tertua alam semesta.
Pada tahun 2000, para saintis cuba untuk membuat tarikh bintang menggunakan pemerhatian melalui satelit Hipparcos Agensi Angkasa Eropah (ESA), yang menganggarkan usia 16 bilion tahun. Tokoh semacam itu agak menonjol dan juga membingungkan. Sebagai ahli astronomi Howard Bond dari Universiti Negeri Pennsylvania menegaskan, usia alam semesta - ditentukan dari pemerhatian latar belakang gelombang mikro kosmik - adalah 13.8 bilion tahun. "Ia adalah satu percanggahan serius," katanya.
Diambil pada nilai muka, umur yang diramalkan bintang menimbulkan masalah besar. Bagaimana mungkin bintang menjadi lebih tua daripada alam semesta? Atau, sebaliknya, bagaimana mungkin alam semesta menjadi lebih muda? Pastinya jelas bahawa Metuselah - yang dinamakan merujuk kepada seorang ahli alkitabiah alkitabiah yang dikatakan telah meninggal dunia pada tahun 969, menjadikannya hidup terpanjang dari semua angka dalam Alkitab - sudah tua, kerana subur logam yang miskin adalah sebahagian besarnya terbuat daripada hidrogen dan helium dan mengandungi sedikit besi. Ia adalah komposisi yang bermakna bintang mesti ada sebelum besi menjadi biasa.
Tetapi lebih daripada dua bilion tahun lebih tua daripada persekitarannya? Pastinya itu tidak mungkin.
Melihat dengan lebih dekat pada usia Metuselah
Bond dan rakan-rakannya menumpukan kepada tugas mencari tahu sama ada angka awal 16 bilion adalah tepat atau tidak. Mereka menghasilkan lebih daripada 11 set pemerhatian yang telah direkodkan antara tahun 2003 dan 2011 oleh Sensor Pemandu Halus Teleskop Angkasa Hubble, yang mencatat kedudukan, jarak dan output tenaga bintang. Dalam memperoleh ukuran paralaks, spektroskopi dan fotometri, usia yang lebih baik dapat ditentukan.
"Salah satu ketidakpastian dengan usia HD 140283 adalah jarak yang tepat bintang," kata Bond kepada All About Space. "Adalah penting untuk mendapatkan hak ini kerana kita dapat menentukan cahaya yang lebih baik, dan dari umurnya - cahaya yang lebih terang, bintang yang lebih muda. Kami mencari kesan paralaks, yang bermaksud kita melihat bintang enam bulan selain mencari pergeseran dalam kedudukannya kerana gerakan orbit Bumi, yang memberitahu kita jarak. "
Terdapat juga ketidakpastian dalam pemodelan teori bintang-bintang, seperti kadar tepat reaksi nuklear di teras dan kepentingan unsur-unsur yang meresap ke bawah di lapisan luar, katanya. Mereka bekerja pada idea bahawa sisa helium tersebar lebih mendalam ke inti, menyebabkan hidrogen kurang dibakar melalui gabungan nuklear. Dengan bahan api yang digunakan lebih cepat, umurnya diturunkan.
"Faktor lain yang penting adalah, dari semua perkara, jumlah oksigen di bintang," kata Bond. HD 140283 mempunyai nisbah oksigen berbanding besi yang diramalkan dan, kerana oksigen tidak banyak di alam semesta selama beberapa juta tahun, ia menunjuk lagi kepada umur yang lebih rendah untuk bintang itu.
Bond dan kolaboratornya menganggarkan usia HD 140283 menjadi 14.46 bilion tahun - pengurangan ketara terhadap 16 bilion yang didakwa sebelumnya. Walau bagaimanapun, itu adalah lebih daripada zaman alam semesta itu sendiri, tetapi para saintis menimbulkan ketidakpastian yang tersisa sekitar 800 juta tahun, yang dikatakan Bond menjadikan umur bintang itu bersesuaian dengan zaman alam semesta, walaupun ia tidak sepenuhnya sempurna .
"Seperti semua anggaran yang diukur, ia tertakluk kepada kesilapan rawak dan sistematik," kata ahli fizik Robert Matthews dari Aston University di Birmingham, UK, yang tidak terlibat dalam kajian itu. "Pertindihan dalam bar ralat memberikan beberapa petunjuk kebarangkalian pertembungan dengan penentuan usia kosmologi," kata Matthews. "Dalam erti kata lain, usia yang disokong terbaik bintang itu bertentangan dengan itu untuk usia yang diturunkan dari alam semesta, dan konflik itu hanya boleh diselesaikan dengan menolak bar kesalahan kepada had yang melampau."
Penambahbaikan lanjut menyaksikan umur HD 140283 jatuh sedikit lebih. Kajian susulan pada tahun 2014 mengemas kini umur bintang hingga 14,27 miliar tahun. "Kesimpulan yang dicapai ialah usia kira-kira 14 bilion tahun dan, sekali lagi, jika seseorang termasuk semua sumber ketidakpastian - kedua-duanya dalam ukuran pemerhatian dan pemodelan teori - kesilapan adalah kira-kira 700 atau 800 juta tahun, jadi tidak ada konflik kerana 13.8 bilion tahun terletak di dalam bar ralat bintang, "kata Bond.
Melihat dengan lebih dekat pada zaman alam semesta
Bagi Bond, persamaan antara zaman alam semesta dan bintang lama ini - kedua-duanya telah ditentukan oleh kaedah analisis yang berbeza - adalah "pencapaian saintifik yang menakjubkan yang memberikan bukti yang sangat kuat untuk gambaran Big Bang alam semesta ". Beliau berkata masalah dengan umur bintang-bintang tertua jauh lebih teruk daripada pada tahun 1990-an apabila usia cemerlang hampir 18 bilion tahun atau, dalam satu kes, 20 bilion tahun. "Dengan ketidakpastian penentuan, usia sekarang bersetuju," kata Bond.
Namun Matthews percaya masalah itu belum diselesaikan. Ahli astronomi pada persidangan antarabangsa ahli kosmologi teratas di Institut Kavli untuk Fizik Teoritis di Santa Barbara, California, pada Julai 2019 membingungkan mengenai kajian yang mencadangkan umur yang berbeza untuk alam semesta. Mereka melihat pengukuran galaksi yang agak berdekatan yang menunjukkan alam semesta adalah lebih muda oleh beratus-ratus juta tahun berbanding dengan umur yang ditentukan oleh latar gelombang mikro kosmik.
Sebenarnya, jauh daripada 13.8 bilion tahun, seperti yang dianggarkan oleh ukuran kosmetik kosmik teleskop terperinci ruang Eropah pada tahun 2013, alam semesta mungkin seratus tahun 11.4 bilion tahun. Salah seorang dari mereka yang berada di belakang kajian itu adalah penghibur Nobel Adam Riess dari Institut Sains Teleskop Angkasa di Baltimore, Maryland.
Kesimpulannya adalah berdasarkan kepada idea alam semesta yang berkembang, seperti yang ditunjukkan pada tahun 1929 oleh Edwin Hubble. Ini adalah asas kepada Big Bang - pemahaman bahawa terdapat satu keadaan kepekatan panas yang meletup, meregangkan ruang. Ia menunjukkan titik permulaan yang perlu diukur, tetapi penemuan baru mencadangkan bahawa kadar pengembangan sebenarnya adalah sekitar 10% lebih tinggi daripada yang disarankan oleh Planck.
Sesungguhnya, pasukan Planck menentukan bahawa kadar pengembangan adalah 67.4 km sesaat per megaparsec, tetapi ukuran baru-baru ini diambil dari kadar pengembangan titik alam semesta kepada nilai-nilai 73 atau 74. Ini bermakna terdapat perbezaan di antara ukuran seberapa cepat alam semesta berkembang hari ini dan ramalan betapa pantasnya perlu berkembang berdasarkan fizik alam semesta awal, kata Riess. Ia membawa kepada penilaian semula teori-teori yang diterima sementara juga menunjukkan masih banyak yang belajar tentang perkara gelap dan tenaga gelap, yang dianggap berada di belakang teka-teki ini.
Nilai yang lebih tinggi untuk Hubble Constant menunjukkan usia yang lebih pendek untuk alam semesta. Peralihan 67.74 km sesaat megaparsec akan membawa kepada umur 13.8 bilion tahun, manakala salah satu daripada 73, atau setinggi 77 seperti beberapa kajian telah menunjukkan, akan menunjukkan umur alam semesta tidak lebih daripada 12.7 bilion tahun. Ia tidak sepadan yang mencadangkan, sekali lagi, bahawa HD 140283 lebih tua daripada alam semesta. Ia juga telah digantikan oleh kajian 2019 yang diterbitkan dalam jurnal Sains yang mencadangkan Hubble Constant dari 82.4 - menunjukkan bahawa usia alam semesta adalah hanya 11.4 bilion tahun.
Matthews percaya jawapannya terletak pada penghalusan kosmologi yang lebih besar. "Saya mengesyaki bahawa ahli kosmologi pemerhatian telah melepaskan sesuatu yang mencipta paradoks ini, bukannya astrofizik bintang," katanya, sambil menunjuk ukuran pengukuran bintang yang mungkin lebih tepat. "Itu bukan kerana ahli kosmologi sedemikian rupa, tetapi kerana penentuan usia alam semesta adalah tertakluk kepada ketidaktentuan yang lebih banyak dan boleh dibayangkan lebih rumit daripada teori bintang."
Oleh itu, bagaimanakah para saintis akan mengetahui perkara ini?
Apa yang boleh menjadikan alam semesta berpotensi muncul lebih muda daripada bintang tertentu ini?
"Terdapat dua pilihan, dan sejarah sains menunjukkan bahawa dalam kes sedemikian realitinya adalah gabungan kedua-duanya," kata Matthews. "Dalam kes ini yang akan menjadi sumber kesilapan pemerhatian yang belum difahami sepenuhnya, ditambah pula dengan beberapa jurang dalam teori dinamika alam semesta, seperti kekuatan tenaga gelap, yang menjadi pemacu utama pengembangan kosmik untuk berbilion-bilion tahun sekarang. "
Dia mencadangkan kemungkinan bahawa "paradoks zaman" mencerminkan perubahan masa dalam tenaga gelap, dan oleh itu perubahan kadar percepatan - kemungkinan teori yang didapati mungkin bersesuaian dengan idea-idea tentang sifat asas graviti, seperti yang dipanggil teori set sebab. Kajian baru ke gelombang graviti dapat membantu menyelesaikan paradoks, kata Matthews.
Untuk melakukan ini, saintis akan melihat riak-riak dalam fabrik ruang dan masa yang dibuat oleh pasangan bintang mati, bukannya bergantung kepada latar belakang mikrob kosmik atau pemantauan objek berdekatan seperti pembolehubah Cepheid dan supernovae untuk mengukur Hubble Constant - bekas yang mengakibatkan kelajuan 67 km per detik per megaparsec dan yang kedua pada 73.
Masalahnya, mengukur gelombang graviti bukanlah tugas yang mudah, memandangkan mereka hanya dikesan secara langsung untuk kali pertama pada tahun 2015. Tetapi menurut Stephen Feeney, seorang ahli astrofisika di Institut Flatiron di New York, satu kejayaan dapat dibuat sepanjang perjalanan dekad akan datang. Idea ini adalah untuk mengumpul data dari perlanggaran antara pasangan bintang neutron dengan menggunakan cahaya yang kelihatan peristiwa ini memancarkan untuk mengetahui kelajuan yang mereka bergerak relatif terhadap Bumi. Ini juga memerlukan analisa gelombang graviti yang terhasil untuk idea jarak - kedua-duanya boleh bergabung untuk memberikan ukuran Hubble Constant yang seharusnya menjadi yang paling tepat lagi.
Misteri umur HD 140283 membawa kepada sesuatu yang lebih besar dan lebih saintifik kompleks, mengubah pemahaman tentang bagaimana alam semesta berfungsi.
"Penjelasan yang paling mungkin untuk paradoks ini adalah beberapa kesan pemerhatian dan / atau sesuatu yang besar yang hilang dari pemahaman kita tentang dinamik perkembangan kosmik," kata Matthews. Tepatnya apa yang "sesuatu" itu, pasti untuk memastikan para ahli astronomi mencabar untuk beberapa waktu.
Sumber tambahan:
