Matusalem, cea mai veche stea din Univers, care pare a fi mai bătrână chiar decât Universul. Care este explicaţia

În anul 2000, oamenii de știință au căutat să dateze ceea ce credeau a fi cea mai veche stea din Univers: au denumit-o HD140283 sau steaua Matusalem. Cercetătorii au făcut observații prin intermediul satelitului Hipparcos al Agenției Spațiale Europene (ESA) și au estimat că HD140283 avea o vechime impresionantă de 16 miliarde de ani.

O astfel de cifră a fost mai degrabă derutantă. La urma urmei, vârsta Universului, determinată prin observațiile radiației cosmice de fond, este de circa 13,8 miliarde de ani, deci cum ar putea o stea să fie mai veche decât Universul în care se află?

Cea mai veche stea din Univers mai bătrână decât Universul însuşi?

„Era o discrepanță serioasă.”, a spus astronomul Howard Bond de la Universitatea de Stat din Pennsylvania. Așa că, având acest lucru în minte, Bond și colegii săi au pornit să descopere adevărul și să testeze acuratețea acestor cifre. Concluziile lor au fost la fel de uluitoare.

Astronomii au început să urmărească steaua Matusalem – numită astfel cu referire la patriarhul biblic despre care se spune că ar fi murit la vârsta de 969 de ani, ceea ce îl face cel mai longeviv dintre toate personajele din Biblie – în urmă cu mai bine de 100 de ani.

Această stea bizară se află la aproximativ 190 de ani lumină de Pământ, în constelația Libra (Balanţa), și se deplasează rapid pe cer cu o viteză de circa 1,3 milioane de kilometri pe oră.^[sursa]

Era limpede că steaua era foarte veche. Steaua subgigantă, săracă în metale, este alcătuită predominant din hidrogen și heliu și conține foarte puțin fier. O astfel de compoziție însemna că steaua trebuie să fi luat ființă în perioada în care heliul și hidrogenul dominau Universul și înainte ca fierul să devină ceva obișnuit (elementele mai grele au apărut doar atunci când stelele masive le-au creat în nucleele lor).

Dar ar putea steaua Matusalem să fie cu adevărat cu mai mult de două miliarde de ani mai veche decât mediul său înconjurător? Cu siguranță, acest lucru nu este posibil. Ori steaua era mai bătrână decât Universul, ori Universul nu era atât de „tânăr” pe cât credeau oamenii de știință că este. Sau poate că datarea a fost pur și simplu greșită. Care era explicaţia?

Investigarea vârstei stelei Matusalem

Un mister de o asemenea amploare nu putea fi ignorat, așa că Howard Bond și colegii săi au încercat să descopere adevărul, analizând 11 seturi de observații înregistrate între anii 2003 și 2011.

Aceste observații fuseseră făcute de către senzorii de ghidaj fin ai telescopului spațial Hubble, care notau pozițiile, distanțele și producția de energie a stelelor. Prin obținerea de măsurători de paralaxă, spectroscopie și fotometrie, oamenii de știință au putut determina mai bine vârsta.

„Una dintre incertitudinile legate de vârsta stelei HD 140283 a fost distanța exactă a stelei. A fost important să obținem acest aspect corect, deoarece putem determina mai bine luminozitatea sa și, de aici, vârsta sa – cu cât luminozitatea intrinsecă este mai strălucitoare, cu atât steaua este mai tânără. Căutam efectul de paralaxă, ceea ce însemna că priveam steaua la șase luni distanță pentru a căuta schimbarea poziției sale datorată mișcării orbitale a Pământului, ceea ce ne indică distanța.”, a mai declarat Howard Bond.

Bond a adăugat că au existat, de asemenea, incertitudini în modelarea teoretică a stelelor, cum ar fi ratele exacte ale reacțiilor nucleare din nucleu și importanța elementelor care se răspândesc în jos la nivelul straturilor exterioare. Așa că au lucrat la ideea că heliul rămas este difuzat mai adânc în nucleu, lăsând mai puțin hidrogen pentru a arde prin fuziune nucleară. Odată cu utilizarea mai rapidă a combustibilului, vârsta este mai mică.

„Un alt factor care a fost important a fost, dintre toate elementele, cantitatea de oxigen din stea.”, a spus Howard Bond. Steaua Matusalem a avut un raport oxigen/fier mai mare decât se preconiza și, deoarece oxigenul nu a fost abundent în Univers timp de câteva milioane de ani, a indicat din nou o vârstă mai mică pentru stea.

Ca urmare a tuturor acestor lucrări, astronomul Howard Bond și colaboratorii săi au estimat vârsta lui HD 140283 la 14,46 miliarde de ani. Era o reducere semnificativă față de cele 16 miliarde de ani afirmate anterior, dar era totuși mai mare decât vârsta Universului însuși.

În acest sens, nu s-a lămurit misterul și, la prima vedere, s-a asigurat pur și simplu că Matusalem rămânea o ciudățenie. Dar oamenii de știință au pus o incertitudine reziduală de 800 de milioane de ani, care, potrivit lui Bond, a făcut ca vârsta stelei să fie compatibilă cu vârsta Universului. A fost o descoperire majoră.

„La fel ca toate estimările măsurate, aceasta este supusă atât erorilor aleatorii, cât și celor sistematice. Suprapunerea baremelor de eroare oferă o anumită indicație a probabilității unei contradicții cu determinările privind vârsta cosmologică.

Cu alte cuvinte, vârsta cea mai bine susținută a stelei intră în conflict cu cea pentru vârsta derivată a Universului [determinată de radiaţiile cosmice de fond], iar conflictul poate fi rezolvat doar prin împingerea baremelor de eroare la limitele lor extreme.”, a declarat fizicianul Robert Matthews de la Universitatea Aston din Birmingham, Marea Britanie, care nu a fost implicat în studiu.

În urma unor perfecționări ulterioare, vârsta stelei HD 140283 a mai scăzut un pic. Un studiu de monitorizare din anul 2014, de exemplu, a actualizat vârsta stelei la 14,27 miliarde de ani.^[sursa]

„Din nou, dacă se includ toate sursele de incertitudine – atât în măsurătorile observaționale, cât și în modelarea teoretică – eroarea este de aproximativ 700 sau 800 de milioane de ani, astfel încât nu există niciun conflict, deoarece 13,8 miliarde de ani se află în interiorul baremului de eroare al vârstei stelei.”, a mai spus Howard Bond.

Mai mult, în mai 2021, un alt grup de astronomi a revizuit cele mai bune estimări privind vârsta și masa lui Matusalem și, după ce au modelat modul în care stelele se schimbă în timp, au constatat că vârsta sa este de 12 miliarde de ani. Acest lucru face ca steaua Matusalem să fie în continuare extrem de bătrână (Soarele, prin comparație, este doar un „puşti” cu o vârstă de 4,6 miliarde de ani), dar plasează vârsta stelei foarte bine în cadrul vârstei Universului. Sau nu?^[sursa]

Investigarea vârstei Universului

Pe de o parte, Howard Bond consideră că eforturile de datare a lui Matusalem reprezintă „o realizare științifică uimitoare, care oferă dovezi foarte puternice pentru ideea Big Bang a Universului”.

Arătând similitudini între vârsta Universului și cea a unei vechi stele apropiate, astronomul spunea că problema vârstei celor mai vechi stele este mult mai puțin gravă decât era în anii 1990, când vârstele stelare se apropiau de 18 miliarde de ani sau, într-un caz, de 20 de miliarde de ani. „Având în vedere incertitudinile determinărilor, vârstele sunt acum în concordanță.”, a mai spus Bond.

Totuși, pe de altă parte, Matthews crede că problema nu a fost încă rezolvată. Astronomii prezenți la o conferință internațională a cosmologilor de top la Institutul Kavli pentru Fizică Teoretică din Santa Barbara, California, în iulie 2019, au fost nedumeriți de studiile care sugerau vârste diferite pentru Univers. Aceștia analizau măsurători ale unor galaxii relativ apropiate care sugerau că Universul este mai tânăr cu sute de milioane de ani în comparație cu vârsta determinată de radiațiile cosmice de fond.

Departe de a avea 13,8 miliarde de ani, așa cum au estimat măsurătorile detaliate ale radiației cosmice efectuate de Telescopul Spațial European Planck în anul 2013, Universul ar putea avea o vechime de doar 11,4 miliarde de ani.

Dacă acesta este, într-adevăr, cazul, atunci steaua Matusalem este din nou mai bătrână decât Universul. Într-adevăr, intriga se îngroașă, dar cât de exacte se dovedesc a fi aceste reestimări?

Unul dintre cei care se află în spatele studiilor de datare a Universului este Adam Riess, laureat al premiului Nobel, de la Institutul de Știință al Telescopului Spațial din Baltimore, Maryland.

Concluziile se bazează pe ideea unui Univers în expansiune, așa cum a arătat în anul 1929 Edwin Hubble. Acest lucru este fundamental pentru teoria Big Bang-ului: înțelegerea faptului că a existat cândva o stare de densitate fierbinte care a explodat, extinzând spațiul. Aceasta indică un punct de plecare care ar trebui să fie măsurabil, dar noile descoperiri sugerează că rata de expansiune este cu aproximativ 10% mai mare decât cea sugerată de telescopul Planck.

Într-adevăr, echipa telescopului Planck a stabilit că rata de expansiune a fost de 67,4 km pe secundă pe megaparsec, dar măsurători mai recente ale ratei de expansiune a universului indică valori de 73 sau 74.

Acest lucru înseamnă că există o diferență între măsurarea vitezei de expansiune a Universului în prezent și predicțiile privind viteza de expansiune pe care ar trebui să o aibă pe baza fizicii Universului timpuriu, a declarat Adam Riess. Acest lucru duce la o reevaluare a teoriilor acceptate, arătând în același timp că mai sunt încă multe de învățat despre materia întunecată și energia întunecată, despre care se crede că se află în spatele acestei enigme.

O valoare mai mare a constantei Hubble indică o vârstă mai mică a Universului. O constantă de 67,74 km pe secundă pe megaparsec ar duce la o vârstă de 13,8 miliarde de ani, în timp ce o valoare de 73, sau chiar de 77, așa cum au arătat unele studii, ar indica o vârstă a Universului nu mai mare de 12,7 miliarde de ani.

Este o neconcordanță care sugerează, așa cum s-a spus, că steaua Matusalem ar putea fi totuși mai veche decât Universul. De asemenea, acest lucru a fost între timp înlocuit de un studiu din anul 2019 publicat în revista Science, care a propus o constantă Hubble de 82,4 – sugerând că vârsta Universului este de numai 11,4 miliarde de ani. Astronomii speră că Telescopul spațial James Webb ar putea face lumină în acest mister special.^[sursa]

Matthews crede că răspunsurile se află într-o mai mare perfecționare cosmologică. „Bănuiesc că cosmologilor observaționali le-a scăpat ceva care creează acest paradox, mai degrabă decât astrofizicienilor stelari.”, a spus el, arătând că măsurătorile stelelor sunt poate mai precise.

„Acest lucru nu se datorează faptului că cosmologii sunt în vreun fel mai neglijenți, ci pentru că determinarea vârstei Universului este supusă unor incertitudini observaționale și teoretice mai ample și, probabil, mai complicate decât cea a stelelor.”, a continuat Robert Matthews.

De ce Universul pare mai tânăr decât steaua Matusalem

Dar ce ar putea face ca Universul să pară potențial mai tânăr decât această stea anume?

„Există două opțiuni, iar istoria științei sugerează că, în astfel de cazuri, realitatea este un amestec din ambele. În acest caz, ar fi vorba de surse de erori de observare care nu au fost pe deplin înțelese, plus unele lacune în teoria dinamicii Universului, cum ar fi puterea energiei întunecate, care a fost principalul motor al expansiunii cosmice de multe miliarde de ani.”, a spus fizicianul Robert Matthews.

Fizicianul a sugerat posibilitatea ca actualul „paradox al vârstei” să reflecte variația în timp a energiei întunecate și, prin urmare, o schimbare a ratei de accelerare – o posibilitate pe care teoreticienii au considerat că ar putea fi compatibilă cu ideile despre natura fundamentală a gravitației, cum ar fi așa-numita teorie a setului cauzal. Noile cercetări privind undele gravitaționale ar putea ajuta la rezolvarea paradoxului, a declarat Matthews.

Pentru a face acest lucru, oamenii de știință ar trebui să se uite la ondulațiile din structura spațiului și a timpului create de perechi de stele moarte, mai degrabă decât să se bazeze pe radiațiile cosmice de fond sau pe monitorizarea obiectelor din apropiere, cum ar fi variabilele cefeide și supernovele, pentru a măsura constanta lui Hubble – prima rezultând o viteză de 67 km pe secundă pe megaparsec, iar cea de-a doua de 73.

Problema este că măsurarea undelor gravitaționale nu este o sarcină ușoară, având în vedere că acestea au fost detectate direct pentru prima dată abia în anul 2015. Însă, potrivit lui Stephen Feeney, astrofizician la Institutul Flatiron din New York, o descoperire ar putea fi făcută în următorul deceniu.

Ideea este de a colecta date de la coliziunile dintre perechile de stele neutronice, folosind lumina vizibilă pe care aceste evenimente o emit pentru a afla viteza cu care se deplasează în raport cu Pământul. De asemenea, este vorba de analiza undelor gravitaționale rezultate pentru a avea o idee despre distanță – ambele se pot combina pentru a oferi o măsurătoare a constantei Hubble care ar trebui să fie cea mai precisă de până acum.

Misterul vârstei stelei HD 140283 duce la ceva mai mare și mai complex din punct de vedere științific, modificând înțelegerea modului în care funcționează Universul.

„Cele mai probabile explicații pentru paradox sunt un efect observațional trecut cu vederea și/sau ceva mare care lipsește din înțelegerea noastră a dinamicii expansiunii cosmice.”, a declarat Robert Matthews. Ce anume este acel „ceva”, cu siguranță îi va ține pe astronomi în continuare ocupaţi pentru o perioadă de timp.