Al meer dan 100 jaar observeren astronomen een merkwaardige ster op ongeveer 190 lichtjaar van de aarde in het sterrenbeeld Weegschaal. Hij vliegt snel door de lucht met een snelheid van 1,3 miljoen kilometer per uur. Maar interessanter dan dat, HD 140283 - of Methuselah zoals het algemeen wordt genoemd - is ook een van de oudst bekende sterren van het universum.
In 2000 probeerden wetenschappers de ster te dateren met behulp van waarnemingen via de Hipparcos-satelliet van de European Space Agency (ESA), die een leeftijd van 16 miljard jaar schatte. Zo'n figuur was nogal verbluffend en ook behoorlijk verbijsterend. Zoals astronoom Howard Bond van de Pennsylvania State University opmerkte, is de leeftijd van het heelal - bepaald op basis van waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond - 13,8 miljard jaar oud. 'Het was een ernstige tegenstrijdigheid', zei hij.
Op het eerste gezicht veroorzaakte de voorspelde leeftijd van de ster een groot probleem. Hoe kan een ster ouder zijn dan het universum? Of, omgekeerd, hoe kan het universum jonger zijn? Het was zeker duidelijk dat Methuselah - genoemd naar een bijbelse patriarch die naar verluidt op 969-jarige leeftijd stierf, waardoor hij de langstlevende van alle figuren in de Bijbel was - oud was, omdat de metaalarme subgiant voornamelijk van waterstof is gemaakt en helium en bevat heel weinig ijzer. Door de samenstelling moet de ster zijn ontstaan voordat ijzer gemeengoed werd.
Maar meer dan twee miljard jaar ouder dan zijn omgeving? Dat is toch gewoon niet mogelijk.
De leeftijd van Methuselah onder de loep nemen
Bond en zijn collega's zetten zich in om uit te zoeken of dat oorspronkelijke cijfer van 16 miljard al dan niet juist was. Ze doorzochten 11 sets waarnemingen die tussen 2003 en 2011 waren vastgelegd door de Fine Guidance Sensors van de Hubble-ruimtetelescoop, die de posities, afstanden en energie-output van sterren noteren. Bij het verkrijgen van parallax-, spectroscopie- en fotometriemetingen kon een beter leeftijdsbesef worden bepaald.
"Een van de onzekerheden met de leeftijd van HD 140283 was de precieze afstand van de ster", vertelde Bond aan All About Space. "Het was belangrijk om dit goed te doen, omdat we de helderheid en vanaf die leeftijd beter kunnen bepalen - hoe helderder de intrinsieke helderheid, hoe jonger de ster. We waren op zoek naar het parallax-effect, wat betekende dat we de ster zes maanden bekeken apart om te kijken naar de verschuiving in zijn positie als gevolg van de orbitale beweging van de aarde, die ons de afstand vertelt. "
Er waren ook onzekerheden in de theoretische modellering van de sterren, zoals de exacte snelheid van kernreacties in de kern en het belang van naar beneden diffunderende elementen in de buitenste lagen, zei hij. Ze werkten aan het idee dat overgebleven helium dieper in de kern diffundeert, waardoor er minder waterstof verbrandt via kernfusie. Door sneller brandstof te verbruiken, wordt de leeftijd verlaagd.
'Een andere factor die belangrijk was, was vooral de hoeveelheid zuurstof in de ster', zei Bond. HD 140283 had een hoger dan voorspelde zuurstof-ijzerverhouding en aangezien zuurstof een paar miljoen jaar lang niet overvloedig aanwezig was in het universum, wees het opnieuw op een lagere leeftijd voor de ster.
Bond en zijn medewerkers schatten de leeftijd van HD 140283 op 14,46 miljard jaar - een aanzienlijke vermindering ten opzichte van de 16 miljard die eerder werden geclaimd. Dat was echter nog steeds meer dan de leeftijd van het universum zelf, maar de wetenschappers hadden een resterende onzekerheid van 800 miljoen jaar, wat volgens Bond de leeftijd van de ster compatibel maakte met de leeftijd van het universum, hoewel het niet helemaal perfect was .
"Zoals alle gemeten schattingen is er sprake van zowel willekeurige als systematische fouten", zei natuurkundige Robert Matthews van de Aston University in Birmingham, VK, die niet bij het onderzoek betrokken was. 'De overlap in de foutbalken geeft een indicatie van de kans op een botsing met kosmologische leeftijdsbepalingen', zei Matthews. "Met andere woorden, de best ondersteunde leeftijd van de ster is in strijd met die van de afgeleide leeftijd van het universum, en het conflict kan alleen worden opgelost door de foutbalken tot het uiterste te duwen."
Verdere verfijningen zagen de leeftijd van HD 140283 iets meer dalen. Een vervolgonderzoek uit 2014 bracht de leeftijd van de ster bij tot 14,27 miljard jaar. "De conclusie was dat de leeftijd ongeveer 14 miljard jaar is en nogmaals, als we alle bronnen van onzekerheid meenemen - zowel in de observatiemetingen als in de theoretische modellering - is de fout ongeveer 700 of 800 miljoen jaar, dus er is geen conflict omdat 13,8 miljard jaar binnen de foutenbalk van de ster ligt, 'zei Bond.
De leeftijd van het universum nader bekijken
Voor Bond zijn de overeenkomsten tussen de leeftijd van het heelal en die van deze oude nabije ster - die beide zijn bepaald door verschillende analysemethoden - 'een verbazingwekkende wetenschappelijke prestatie die zeer sterk bewijs levert voor het Big Bang-beeld van het heelal '. Hij zei dat het probleem met de leeftijd van de oudste sterren veel minder ernstig is dan in de jaren negentig, toen de stellaire leeftijden 18 miljard jaar of, in één geval, 20 miljard jaar naderden. "Met de onzekerheden van de bepalingen, zijn de leeftijden het nu eens", zei Bond.
Toch meent Matthews dat het probleem nog niet is opgelost. Astronomen op een internationale conferentie van topkosmologen van het Kavli Institute for Theoretical Physics in Santa Barbara, Californië, in juli 2019, waren aan het puzzelen over studies die verschillende leeftijden voor het universum suggereerden. Ze keken naar metingen van sterrenstelsels die relatief dichtbij zijn, wat suggereert dat het universum honderden miljoenen jaren jonger is dan de leeftijd die wordt bepaald door de kosmische microgolfachtergrond.
In feite is het heelal, in tegenstelling tot 13,8 miljard jaar oud, zoals geschat door de gedetailleerde metingen van de Europese Planck-ruimtetelescoop in 2013 aan kosmische straling, nog maar 11,4 miljard jaar oud. Een van de mensen achter de onderzoeken is Nobelprijswinnaar Adam Riess van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland.
De conclusies zijn gebaseerd op het idee van een uitbreidend universum, zoals aangetoond in 1929 door Edwin Hubble. Dit is fundamenteel voor de Big Bang - het besef dat er ooit een toestand van hete dichtheid was die explodeerde en de ruimte uitrekte. Het geeft een startpunt aan dat meetbaar zou moeten zijn, maar nieuwe bevindingen suggereren dat het uitbreidingspercentage eigenlijk ongeveer 10% hoger is dan het door Planck gesuggereerde.
Het Planck-team stelde inderdaad vast dat de uitzettingssnelheid 67,4 km per seconde per megaparsec was, maar recentere metingen van de uitzettingssnelheid van het heelal wijzen op waarden van 73 of 74. Dat betekent dat er een verschil is tussen de meting van hoe snel het universum breidt zich tegenwoordig uit en de voorspellingen van hoe snel het zou moeten groeien op basis van de fysica van het vroege heelal, zei Riess. Het leidt tot een herbeoordeling van geaccepteerde theorieën, terwijl het ook laat zien dat er nog veel te leren valt over donkere materie en donkere energie, waarvan wordt gedacht dat ze achter dit raadsel zitten.
Een hogere waarde voor de Hubble-constante duidt op een kortere leeftijd voor het universum. Een constante van 67,74 km per seconde per megaparsec zou leiden tot een leeftijd van 13,8 miljard jaar, terwijl een van de 73, of zelfs 77, zoals sommige studies hebben aangetoond, een universumleeftijd van niet meer dan 12,7 miljard jaar zou aangeven. Het is een discrepantie die nogmaals suggereert dat HD 140283 ouder is dan het universum. Het is sindsdien ook vervangen door een studie uit 2019, gepubliceerd in het tijdschrift Science, die een Hubble-constante van 82,4 voorstelde - wat suggereert dat de leeftijd van het universum slechts 11,4 miljard jaar is.
Matthews gelooft dat de antwoorden in een grotere kosmologische verfijning liggen. 'Ik vermoed dat de observationele kosmologen iets hebben gemist dat deze paradox veroorzaakt, in plaats van de stellaire astrofysici', zei hij, wijzend op de nauwkeurigheid van de metingen van de sterren. 'Dat komt niet omdat de kosmologen op enigerlei wijze slordiger zijn, maar omdat de leeftijdsbepaling van het heelal onderhevig is aan meer en aantoonbaar moeilijker waarneembare en theoretische onzekerheden dan die van sterren.'
Dus, hoe zullen wetenschappers dit oplossen?
Wat zou het universum mogelijk jonger kunnen laten lijken dan deze specifieke ster?
'Er zijn twee opties, en de geschiedenis van de wetenschap suggereert dat in dergelijke gevallen de realiteit een combinatie van beide is', zei Matthews. "In dit geval zouden dat bronnen zijn van waarneembare fouten die niet volledig zijn begrepen, plus enkele hiaten in de theorie van de dynamiek van het universum, zoals de kracht van donkere energie, die de belangrijkste motor was van de kosmische expansie al vele miljarden jaren. '
Hij suggereert de mogelijkheid dat de huidige "leeftijdsparadox" de tijdsvariatie in donkere energie weerspiegelt, en dus een verandering in de snelheid van versnelling - een mogelijkheid die theoretici hebben gevonden, kan verenigbaar zijn met ideeën over de fundamentele aard van zwaartekracht, zoals zogenaamde causale verzamelingenleer. Nieuw onderzoek naar zwaartekrachtsgolven zou kunnen helpen om de paradox op te lossen, zei Matthews.
Om dit te doen, zouden wetenschappers kijken naar de rimpelingen in de structuur van ruimte en tijd die zijn gecreëerd door paren van dode sterren, in plaats van te vertrouwen op de kosmische microgolfachtergrond of de monitoring van nabijgelegen objecten zoals Cepheid-variabelen en supernovae om de Hubble-constante te meten - de eerste resulteerde in een snelheid van 67 km per seconde per megaparsec en de tweede in 73.
Het probleem is dat het meten van zwaartekrachtgolven geen gemakkelijke taak is, aangezien ze pas in 2015 voor het eerst direct werden gedetecteerd. Maar volgens Stephen Feeney, een astrofysicus bij het Flatiron Institute in New York, zou er in de loop van de volgend decennium. Het idee is om gegevens te verzamelen van botsingen tussen paren neutronensterren met behulp van het zichtbare licht dat deze gebeurtenissen uitzenden om de snelheid te bepalen die ze ten opzichte van de aarde bewegen. Het omvat ook het analyseren van de resulterende zwaartekrachtgolven voor een idee van afstand - die beide kunnen combineren om een meting van de Hubble-constante te geven die tot nu toe de meest nauwkeurige zou moeten zijn.
Het mysterie van het tijdperk van HD 140283 leidt tot iets groters en wetenschappelijk meer complex, waardoor het begrip van hoe het universum werkt, verandert.
'De meest waarschijnlijke verklaringen voor de paradox zijn sommige over het hoofd geziene waarnemingseffecten en / of iets groots dat ontbreekt in ons begrip van de dynamiek van de kosmische expansie', zei Matthews. Wat dat 'iets' precies is, zal de astronomen zeker enige tijd blijven uitdagen.
Extra middelen:
