Seit mehr als 100 Jahren beobachten Astronomen im Sternbild Waage einen merkwürdigen Stern, der sich etwa 190 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Es bewegt sich schnell mit 1,3 Millionen Stundenkilometern über den Himmel. Interessanter ist jedoch, dass HD 140283 - oder Methusalah, wie es allgemein bekannt ist - auch einer der ältesten bekannten Sterne des Universums ist.
Im Jahr 2000 versuchten Wissenschaftler, den Stern mithilfe von Beobachtungen über den Hipparcos-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zu datieren, der ein Alter von 16 Milliarden Jahren schätzte. Eine solche Figur war ziemlich umwerfend und auch ziemlich verwirrend. Wie der Astronom Howard Bond von der Pennsylvania State University hervorhob, ist das Alter des Universums - bestimmt aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds - 13,8 Milliarden Jahre alt. "Es war eine ernsthafte Diskrepanz", sagte er.
Gemessen am Nennwert warf das vorhergesagte Alter des Sterns ein großes Problem auf. Wie könnte ein Stern älter sein als das Universum? Oder umgekehrt, wie könnte das Universum jünger sein? Es war sicher klar, dass Methusalah - benannt nach einem biblischen Patriarchen, der im Alter von 969 Jahren gestorben sein soll und damit die langlebigste aller Figuren in der Bibel ist - alt war, da der metallarme Subgiant überwiegend aus Wasserstoff besteht und Helium und enthält sehr wenig Eisen. Aufgrund seiner Zusammensetzung muss der Stern entstanden sein, bevor Eisen alltäglich wurde.
Aber mehr als zwei Milliarden Jahre älter als seine Umwelt? Das ist doch einfach nicht möglich.
Schauen Sie sich das Zeitalter von Methusalah genauer an
Bond und seine Kollegen stellten sich der Aufgabe, herauszufinden, ob diese anfängliche Zahl von 16 Milliarden korrekt war oder nicht. Sie untersuchten 11 Beobachtungsreihen, die zwischen 2003 und 2011 von den Feinführungssensoren des Hubble-Weltraumteleskops aufgezeichnet wurden und die Positionen, Entfernungen und die Energieabgabe von Sternen notieren. Bei der Erfassung von Parallaxen-, Spektroskopie- und Photometriemessungen konnte ein besseres Altersgefühl festgestellt werden.
"Eine der Unsicherheiten im Alter von HD 140283 war die genaue Entfernung des Sterns", sagte Bond gegenüber All About Space. "Es war wichtig, dies richtig zu machen, da wir seine Leuchtkraft und ab diesem Alter besser bestimmen können - je heller die intrinsische Leuchtkraft, desto jünger der Stern. Wir suchten nach dem Parallaxeeffekt, was bedeutete, dass wir den Stern sechs Monate lang betrachteten auseinander, um nach der Verschiebung seiner Position aufgrund der Umlaufbahn der Erde zu suchen, die uns die Entfernung angibt. "
Es gab auch Unsicherheiten bei der theoretischen Modellierung der Sterne, wie die genauen Raten der Kernreaktionen im Kern und die Bedeutung von Elementen, die in den äußeren Schichten nach unten diffundieren, sagte er. Sie arbeiteten an der Idee, dass übrig gebliebenes Helium tiefer in den Kern diffundiert und weniger Wasserstoff durch Kernfusion verbrennen kann. Wenn der Kraftstoff schneller verbraucht wird, wird das Alter gesenkt.
"Ein weiterer wichtiger Faktor war ausgerechnet die Sauerstoffmenge im Stern", sagte Bond. HD 140283 hatte ein höheres als vorhergesagtes Sauerstoff-Eisen-Verhältnis und deutete erneut auf ein niedrigeres Alter des Sterns hin, da Sauerstoff im Universum einige Millionen Jahre lang nicht reichlich vorhanden war.
Bond und seine Mitarbeiter schätzten das Alter von HD 140283 auf 14,46 Milliarden Jahre - eine signifikante Reduzierung gegenüber den zuvor behaupteten 16 Milliarden. Das war jedoch immer noch mehr als das Alter des Universums selbst, aber die Wissenschaftler stellten eine Restunsicherheit von 800 Millionen Jahren auf, die laut Bond das Alter des Sterns mit dem Alter des Universums vereinbar machte, obwohl es nicht ganz perfekt war .
"Wie alle gemessenen Schätzungen unterliegt es sowohl zufälligen als auch systematischen Fehlern", sagte der Physiker Robert Matthews von der Aston University in Birmingham, Großbritannien, der nicht an der Studie beteiligt war. "Die Überlappung in den Fehlerbalken gibt einen Hinweis auf die Wahrscheinlichkeit eines Konflikts mit kosmologischen Altersbestimmungen", sagte Matthews. "Mit anderen Worten, das am besten unterstützte Alter des Sterns steht im Konflikt mit dem für das abgeleitete Alter des Universums, und der Konflikt kann nur gelöst werden, indem die Fehlerbalken an ihre äußersten Grenzen gebracht werden."
Bei weiteren Verbesserungen sank das Alter von HD 140283 etwas weiter. In einer Folgestudie aus dem Jahr 2014 wurde das Alter des Sterns auf 14,27 Milliarden Jahre aktualisiert. "Die Schlussfolgerung war, dass das Alter etwa 14 Milliarden Jahre beträgt. Wenn man wiederum alle Unsicherheitsquellen berücksichtigt - sowohl bei den Beobachtungsmessungen als auch bei der theoretischen Modellierung -, beträgt der Fehler etwa 700 oder 800 Millionen Jahre, sodass kein Konflikt besteht weil 13,8 Milliarden Jahre in der Fehlerleiste des Sterns liegen ", sagte Bond.
Schauen Sie sich das Zeitalter des Universums genauer an
Für Bond sind die Ähnlichkeiten zwischen dem Alter des Universums und dem dieses alten Sterns in der Nähe, die beide durch unterschiedliche Analysemethoden bestimmt wurden, "eine erstaunliche wissenschaftliche Leistung, die sehr starke Beweise für das Urknallbild des Universums liefert ". Er sagte, das Problem mit dem Alter der ältesten Sterne sei weitaus weniger schwerwiegend als in den neunziger Jahren, als sich das Sternalter 18 Milliarden Jahren oder in einem Fall 20 Milliarden Jahren näherte. "Mit den Unsicherheiten der Bestimmungen stimmt das Alter jetzt überein", sagte Bond.
Matthews glaubt jedoch, dass das Problem noch nicht gelöst ist. Astronomen auf einer internationalen Konferenz von Top-Kosmologen am Kavli-Institut für Theoretische Physik in Santa Barbara, Kalifornien, im Juli 2019 rätselten über Studien, die unterschiedliche Altersstufen für das Universum nahelegten. Sie untersuchten Messungen von Galaxien, die relativ nahe beieinander liegen, was darauf hindeutet, dass das Universum um Hunderte Millionen Jahre jünger ist als das Alter, das durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund bestimmt wird.
Tatsächlich ist das Universum weit davon entfernt, 13,8 Milliarden Jahre alt zu sein, wie nach den detaillierten Messungen der kosmischen Strahlung durch das Europäische Planck-Weltraumteleskop im Jahr 2013 geschätzt wurde. Es könnte sogar 11,4 Milliarden Jahre alt sein. Einer der Hintermänner der Studien ist der Nobelpreisträger Adam Riess vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland.
Die Schlussfolgerungen basieren auf der Idee eines expandierenden Universums, wie Edwin Hubble 1929 gezeigt hat. Dies ist von grundlegender Bedeutung für den Urknall - das Verständnis, dass es einmal einen Zustand heißer Dichte gab, der explodierte und den Raum ausdehnte. Es gibt einen Ausgangspunkt an, der messbar sein sollte, aber neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Expansionsrate tatsächlich um etwa 10% höher ist als die von Planck vorgeschlagene.
Das Planck-Team stellte zwar fest, dass die Expansionsrate 67,4 km pro Sekunde und Megaparsec betrug, aber neuere Messungen der Expansionsrate des Universums deuten auf Werte von 73 oder 74 hin. Dies bedeutet, dass es einen Unterschied zwischen der Messung der Geschwindigkeit gibt Das Universum expandiert heute und die Vorhersagen, wie schnell es expandieren sollte, basieren auf der Physik des frühen Universums, sagte Riess. Dies führt zu einer Neubewertung akzeptierter Theorien und zeigt gleichzeitig, dass es noch viel zu lernen gibt über dunkle Materie und dunkle Energie, von denen angenommen wird, dass sie hinter diesem Rätsel stehen.
Ein höherer Wert für die Hubble-Konstante zeigt ein kürzeres Alter für das Universum an. Eine Konstante von 67,74 km pro Sekunde pro Megaparsec würde zu einem Alter von 13,8 Milliarden Jahren führen, während eine von 73 oder sogar 77 Jahren, wie einige Studien gezeigt haben, ein Universumalter von nicht mehr als 12,7 Milliarden Jahren anzeigen würde. Es ist eine Nichtübereinstimmung, die erneut darauf hindeutet, dass HD 140283 älter als das Universum ist. Seitdem wurde es auch durch eine Studie aus dem Jahr 2019 ersetzt, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde und eine Hubble-Konstante von 82,4 vorschlug - was darauf hindeutet, dass das Alter des Universums nur 11,4 Milliarden Jahre beträgt.
Matthews glaubt, dass die Antworten in einer größeren kosmologischen Verfeinerung liegen. "Ich vermute, dass die Beobachtungskosmologen etwas übersehen haben, das dieses Paradox schafft, und nicht die Sternastrophysiker", sagte er und wies darauf hin, dass die Messungen der Sterne vielleicht genauer sind. "Das liegt nicht daran, dass die Kosmologen in irgendeiner Weise schlampiger sind, sondern daran, dass die Altersbestimmung des Universums mehr und wohl schwierigeren beobachtenden und theoretischen Unsicherheiten unterliegt als die der Sterne."
Wie werden Wissenschaftler das herausfinden?
Was könnte das Universum möglicherweise jünger erscheinen lassen als dieser bestimmte Stern?
"Es gibt zwei Möglichkeiten, und die Geschichte der Wissenschaft legt nahe, dass in solchen Fällen die Realität eine Mischung aus beiden ist", sagte Matthews. "In diesem Fall wären dies Quellen für Beobachtungsfehler, die nicht vollständig verstanden wurden, sowie einige Lücken in der Theorie der Dynamik des Universums, wie beispielsweise die Stärke der dunklen Energie, die der Haupttreiber der kosmischen Expansion war seit vielen Milliarden Jahren. "
Er schlägt die Möglichkeit vor, dass das aktuelle "Altersparadoxon" die zeitliche Variation der Dunklen Energie und damit eine Änderung der Beschleunigungsrate widerspiegelt - eine Möglichkeit, die Theoretiker gefunden haben, könnte mit Vorstellungen über die fundamentale Natur der Schwerkraft, wie der sogenannten, vereinbar sein Kausalsatztheorie. Neue Forschungen zu Gravitationswellen könnten helfen, das Paradoxon aufzulösen, sagte Matthews.
Zu diesem Zweck untersuchten die Wissenschaftler die Wellen in der Struktur von Raum und Zeit, die durch Paare toter Sterne erzeugt wurden, anstatt sich auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder die Überwachung nahegelegener Objekte wie Cepheid-Variablen und Supernovae zu verlassen, um die Hubble-Konstante zu messen. Ersteres führte zu einer Geschwindigkeit von 67 km / s pro Megaparsec und letzteres zu 73 km / s.
Das Problem ist, dass die Messung von Gravitationswellen keine leichte Aufgabe ist, da sie erst 2015 zum ersten Mal direkt erfasst wurden. Laut Stephen Feeney, Astrophysiker am Flatiron Institute in New York, könnte im Laufe des Jahres ein Durchbruch erzielt werden nächstes Jahrzehnt. Die Idee ist, Daten von Kollisionen zwischen Paaren von Neutronensternen unter Verwendung des sichtbaren Lichts zu sammeln, das diese Ereignisse aussenden, um die Geschwindigkeit herauszufinden, mit der sie sich relativ zur Erde bewegen. Dazu gehört auch die Analyse der resultierenden Gravitationswellen auf eine Idee der Entfernung - beide können kombiniert werden, um eine Messung der Hubble-Konstante zu erhalten, die die bisher genaueste sein sollte.
Das Geheimnis des Zeitalters von HD 140283 führt zu etwas Größerem und wissenschaftlich Komplexerem, das das Verständnis der Funktionsweise des Universums verändert.
"Die wahrscheinlichsten Erklärungen für das Paradoxon sind einige übersehene Beobachtungseffekte und / oder etwas Großes, das in unserem Verständnis der Dynamik der kosmischen Expansion fehlt", sagte Matthews. Genau das, was dieses "Etwas" ist, wird die Astronomen sicher für einige Zeit herausfordern.
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