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什么?这颗恒星诞生在宇宙诞生之前?

什么?这颗恒星诞生在宇宙诞生之前?

数字化巡天影像中的“玛士撒拉”——一颗比宇宙还“古老”的恒星。Digitized Sky Survey (DSS), STScI / AURA, Palomar / Caltech, and UKSTU / AAO

天秤座,距离地球大约190光年远的太空中,有一颗奇怪的恒星。这颗恒星在太空中以每小时130万公里的高速飞行着。

更奇怪的是,2000年欧空局依巴谷卫星的观测结果显示,这颗恒星形成于160亿年前。宇宙微波背景告诉我们,宇宙大约诞生于138亿年前。而这颗编号为HD 140283的恒星居然比宇宙还要古老。

人们将《圣经》中活了969岁的长老“玛士撒拉”之名,赐予了这颗恒星。这颗“贫金属”超巨星的主要成分是氢和氦,含铁量极少。这样的成分组合表明,这颗恒星一定是在铁元素极为稀有的远古时期形成的。但是它再古老,也不可能比宇宙还古老。

所以,要么是恒星的年龄错了,要么是宇宙的年龄错了。

天文学家对恒星年龄进行了反复验算。他们梳理了哈勃太空望远镜2003年至2011年间获取的11组观测数据。这些数据记录了恒星的位置、距离和输出的能量。而通过视差、光谱和光度测量,我们可以得到一个更为准确的恒星年龄值。

HD 140283年龄值的不确定性有一部分来自恒星距离值的精度误差。假如我们能够更加精确地测出它的光度(固有亮度),我们就能更加精确地算出它和地球之间的距离,也能更加精确地算出它的年龄。恒星的光度值越大,它的年龄就越小。天文学家还观察了它身上的视差效应,观察了它六个月内在天空中的位移,这种位移是地球轨道的变化导致的,而这也能告诉我们它离我们有多远。

恒星的理论模型本身也带有不确定性。模型能够告诉我们恒星内核核聚变反应的速度。恒星外壳中元素的扩散下沉也很重要,假如外壳中的剩余氦元素下沉得很深,参与核聚变的氢含量就会相应变少。而燃料假如消耗得快,恒星的寿命就会缩短。

另外一个重要因素是恒星的氧含量。HD 140283的氧-铁比例比预计的要高,鉴于早期宇宙中的氧并不丰富,所以这颗恒星的实际年龄确实也应该更小一些。

通过这一系列测算,科学家相信HD 140283诞生在144.6亿年前。现在它比之前年轻了许多,但是依然比宇宙还要老。

2014年,科学家再接再厉,进一步缩小了这个数字——HD 140283诞生在142.7亿年前。加上前后7至8亿年的容许误差,这颗恒星已经不再比宇宙更古老了。问题似乎已经解决了。

但是实际情况并没有那么简单。

什么?这颗恒星诞生在宇宙诞生之前?

古老恒星的年龄和宇宙年龄相近这一现象,在部分科学家看来更像是科学的一个成就。它表明宇宙大爆炸理论是可信的。观测中总会存在不确定性,因此两者的年龄实际上是互相吻合的。

但是今年7月,在加州圣巴巴拉科维里理论物理研究所举行的国际宇宙学高峰会议上,一些科学家宣称,他们通过邻近星系测出的宇宙年龄,要比通过宇宙微波背景测出的小好几亿岁——宇宙并非诞生在138亿年前,而是诞生在114亿年前。参与研究的科学家中,还包括2011年诺贝尔物理学奖得主Adam Riess。

这一结论是基于宇宙膨胀的观点得出的。最新的发现表明,宇宙膨胀的速度(哈勃常量)要比通过宇宙微波背景测出的高10%。

根据宇宙微波背景测出的宇宙膨胀速度是每百万秒差距每秒67.4千米,而最新的观测结果发现这个值实际上介于73和74之间。这表明在今天的宇宙膨胀速度和根据早期宇宙物理学特征推算出的宇宙膨胀速度之间存在差异。已被接受的理论需要被重新评估,与“暗物质”和“暗能量”相关的谜团也因此变得更多。

哈勃常量越大,宇宙的年龄就越短。如果哈勃常量是67.74,那么宇宙应该诞生在138亿年前;如果哈勃常量是73或77,宇宙的诞生时间就不会早于127亿年前。如果是这样,那么“玛士撒拉”就再一次比宇宙还要古老了。更有甚者,2019年的一个新研究结果表明,哈勃常量可能是82.4。如果是这样,那么宇宙的诞生时间就更晚了,大约只在距今114亿年前。

一些科学家认为,要解决这一问题,还要看宇宙学如何发展。那些观测宇宙学家一定是疏忽了一些东西,以致于制造了这一悖论。与之相比,恒星天体物理学家的责任更小一些。这是因为对宇宙年龄的测算更加困难,理论上的不确定性也更多一些。

也许在观测中存在着一些没有被全面理解的误差,也许在宇宙的动力学理论中存在着一些空缺,比如“暗能量”的强度。“暗能量”是宇宙膨胀的第一推动力。

也许这一悖论反映出的是“暗能量”在时间上存在强度差异,这能造成宇宙膨胀速度发生变化。这种可能性,与人们对引力基本特性的看法是相吻合的。近年人们对引力波的研究或许有助于解决这一悖论。

这些科学家认为,我们可以观察死亡双星在时空中回旋产生的涟漪,而不是通过研究宇宙微波背景或监视邻近的造父变星与超新星来测算哈勃常量。这样的引力波观测并不容易。但是未来十年内,技术上应该会有大的突破。具体的方法是通过可见光观测,收集中子星合并过程中的数据,来确定它们和地球之间的相对运动速度;同时通过引力波测算它们的距离。将两者相结合,我们就可以得到一个有史以来最为精确的哈勃常量值。

“玛士撒拉”悖论也反映出,科学中存在着某些更大更复杂的问题,这些问题与我们对宇宙运行方式的理解有关。

也许我们只是在观测中忽略掉了一些什么,也许我们对宇宙膨胀的看法有着重大的缺陷。

什么?这颗恒星诞生在宇宙诞生之前?

宇宙中首批恒星的形成(示意)。Wise, Abel, Kaehler (KIPAC / SLAC)

来源: 星空天文

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