لأكثر من 100 عام ، كان الفلكيون يراقبون نجمًا غريبًا يقع على بعد 190 سنة ضوئية من الأرض في كوكبة الميزان. تسير بسرعة عبر السماء بسرعة 800000 ميل في الساعة (1.3 مليون كيلومتر في الساعة). ولكن أكثر إثارة للاهتمام من ذلك ، فإن HD 140283 - أو Methuselah كما هو معروف بشكل شائع - هي أيضًا واحدة من أقدم النجوم المعروفة في الكون.
في عام 2000 ، سعى العلماء حتى الآن للنجم باستخدام الملاحظات عبر القمر الصناعي Hipparcos التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، والذي يقدر عمره بـ 16 مليار سنة. مثل هذا الرقم كان مذهلاً إلى حد ما ومثيرًا للحيرة أيضًا. كما أشار الفلكي هوارد بوند من جامعة ولاية بنسلفانيا ، فإن عمر الكون - الذي تم تحديده من خلال رصدات الخلفية الكونية الميكروية - يبلغ من العمر 13.8 مليار سنة. وقال "لقد كان تناقضًا خطيرًا".
أثار العمر المتوقع للنجم ، الذي تم أخذه بالقيمة الظاهرية ، مشكلة كبيرة. كيف يمكن أن يكون النجم أقدم من الكون؟ أو ، على العكس ، كيف يمكن أن يكون الكون أصغر سنا؟ كان من الواضح بالتأكيد أن Methuselah - الذي تم تسميته في إشارة إلى بطريرك الكتاب المقدس الذي قيل أنه توفي عن عمر 969 ، مما يجعله الأطول عمرا لجميع الشخصيات في الكتاب المقدس - كان قديمًا ، حيث أن Subgiant الفقير بالمعادن مصنوع في الغالب من الهيدروجين والهليوم ويحتوي على القليل من الحديد. تكوينها يعني أن النجم يجب أن يكون موجودًا قبل أن يصبح الحديد شائعًا.
ولكن أكثر من ملياري سنة أقدم من بيئتها؟ بالتأكيد هذا غير ممكن.
إلقاء نظرة فاحصة على عصر متوشالح
وضع بوند وزملاؤه أنفسهم على عاتقهم مهمة اكتشاف ما إذا كان الرقم الأولي البالغ 16 مليار دقيقة أم لا. قاموا بتدقيق أكثر من 11 مجموعة من الملاحظات التي تم تسجيلها بين عامي 2003 و 2011 بواسطة مستشعرات التوجيه الدقيقة لتلسكوب هابل الفضائي ، والتي تدون المواضع والمسافات وخرج الطاقة للنجوم. من أجل الحصول على المنظر وقياسات التحليل الطيفي والضوئي ، يمكن تحديد إحساس أفضل بالعمر.
وأخبر بوند كل شيء عن الفضاء: "كان أحد أوجه عدم اليقين في عصر HD 140283 هو المسافة الدقيقة للنجم". "كان من المهم أن يتم ذلك بشكل صحيح لأنه يمكننا تحديد لمعانه بشكل أفضل ، ومن ذلك عمره - كلما كان السطوع الداخلي أكثر إشراقًا ، كان النجم أصغر سنًا. كنا نبحث عن تأثير المنظر ، مما يعني أننا كنا نشاهد النجم ستة أشهر بصرف النظر عن التحول في موقعه بسبب الحركة المدارية للأرض ، التي تخبرنا عن المسافة ".
وقال إن هناك شكوكا أيضا في النمذجة النظرية للنجوم ، مثل المعدلات الدقيقة للتفاعلات النووية في القلب وأهمية انتشار العناصر إلى أسفل في الطبقات الخارجية. لقد عملوا على فكرة أن الهيليوم المتبقي ينتشر بشكل أعمق في القلب ، تاركًا كمية أقل من الهيدروجين يحترق عن طريق الاندماج النووي. مع استخدام الوقود بشكل أسرع ، يتم تقليل العمر.
وقال بوند "عامل آخر مهم هو كمية الأكسجين في النجم من كل شيء." كانت نسبة HD 140283 أعلى من نسبة الأكسجين إلى الحديد أعلى من المتوقع ، وبما أن الأكسجين لم يكن وفيرًا في الكون لبضعة ملايين من السنين ، فقد أشار مرة أخرى إلى عمر أقل للنجم.
قدّر بوند ومعاونوه أن عمر HD 140283 سيكون 14.46 مليار سنة - وهو انخفاض كبير عن الـ 16 مليار المطالب بها سابقًا. ومع ذلك ، كان هذا لا يزال أكثر من عمر الكون نفسه ، لكن العلماء شكلوا عدم يقين متبقي من 800 مليون سنة ، والتي قال بوند أنها جعلت عمر النجم متوافقًا مع عمر الكون ، على الرغم من أنه لم يكن مثاليًا تمامًا .
وقال الفيزيائي روبرت ماثيوز من جامعة أستون في برمنغهام بالمملكة المتحدة ، الذي لم يشارك في الدراسة: "مثل جميع التقديرات المقاسة ، فإنه يخضع لخطأ عشوائي ومنهجي". قال ماثيوز ، "إن التداخل في أشرطة الخطأ يعطي بعض الدلائل على احتمال حدوث صدام مع تحديدات عمر كونية". "وبعبارة أخرى ، فإن أفضل عمر مدعوم للنجم يتعارض مع ذلك بالنسبة للعمر المشتق من الكون ، ولا يمكن حل الصراع إلا من خلال دفع أشرطة الخطأ إلى حدودها القصوى."
شهدت المزيد من التحسينات انخفاضًا كبيرًا في عمر HD 140283. قامت دراسة متابعة لعام 2014 بتحديث عمر النجم إلى 14.27 مليار سنة. "كان الاستنتاج الذي تم التوصل إليه هو أن العمر يبلغ حوالي 14 مليار سنة ، ومرة أخرى ، إذا تضمن المرء جميع مصادر عدم اليقين - في كل من قياسات المراقبة والنمذجة النظرية - فإن الخطأ حوالي 700 أو 800 مليون سنة ، لذلك لا يوجد تعارض "لأن 13.8 مليار سنة تقع داخل شريط خطأ النجم ،" قال بوند.
إلقاء نظرة فاحصة على عمر الكون
بالنسبة لبوند ، فإن أوجه التشابه بين عمر الكون وعمر هذا النجم القريب القديم - كلاهما تم تحديدهما من خلال طرق التحليل المختلفة - هو "إنجاز علمي مذهل يوفر دليلاً قويًا للغاية على صورة الانفجار العظيم للكون ". وقال إن مشكلة عمر أقدم النجوم أقل حدة بكثير مما كانت عليه في التسعينيات عندما كانت الأعمار النجمية تقترب من 18 مليار سنة ، أو في حالة واحدة ، 20 مليار سنة. وقال بوند: "مع عدم اليقين بشأن القرارات ، فإن الأعمار تتفق الآن".
لكن ماثيوز يعتقد أن المشكلة لم تحل بعد. كان علماء الفلك في مؤتمر دولي لكبار علماء الكون في معهد كافلي للفيزياء النظرية في سانتا باربارا ، كاليفورنيا ، في يوليو 2019 محيرًا بشأن الدراسات التي اقترحت أعمارًا مختلفة للكون. كانوا يبحثون في قياسات المجرات القريبة نسبيًا مما يشير إلى أن الكون أصغر بمئات الملايين من السنين مقارنة بالعمر الذي تحدده الخلفية الكونية الميكروية.
في الواقع ، بعيدًا عن كونه يبلغ 13.8 مليار سنة ، وفقًا لتقديرات القياسات التفصيلية للتلسكوب الفضائي الأوروبي بلانك للإشعاع الكوني في عام 2013 ، قد يكون عمر الكون 11.4 مليار سنة. واحد من الذين وراء هذه الدراسات هو الحائز على جائزة نوبل آدم ريس من معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور بولاية ماريلاند.
تستند الاستنتاجات إلى فكرة الكون المتمدد ، كما هو موضح في عام 1929 من قبل إدوين هابل. هذا أمر أساسي بالنسبة للانفجار الكبير - إدراك أنه كانت هناك مرة واحدة حالة من الكثافة الساخنة التي انفجرت ، وتمتد الفضاء. يشير إلى نقطة بداية يجب أن تكون قابلة للقياس ، ولكن النتائج الجديدة تشير إلى أن معدل التوسع في الواقع أعلى بحوالي 10٪ من المعدل الذي اقترحته بلانك.
وبالفعل ، قرر فريق بلانك أن معدل التمدد كان 67.4 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا باسكار ، ولكن القياسات الأحدث التي تم اتخاذها لمعدل التمدد في الكون تشير إلى قيم 73 أو 74. وهذا يعني وجود فرق بين قياس مدى سرعة قال ريس إن الكون يتوسع اليوم والتنبؤات بمدى السرعة التي يجب أن يتمدد بها بناءً على فيزياء الكون المبكر. إنه يؤدي إلى إعادة تقييم النظريات المقبولة بينما يظهر أيضًا أنه لا يزال هناك الكثير لتعلمه عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، والتي يعتقد أنها وراء هذا اللغز.
تشير القيمة الأعلى لثابت هابل إلى عمر أقصر للكون. إن ثبات 67.74 كم في الثانية لكل ميجا باسكار سيؤدي إلى عمر 13.8 مليار سنة ، في حين أن واحدًا من 73 ، أو حتى 77 كما أظهرت بعض الدراسات ، يشير إلى عمر الكون لا يزيد عن 12.7 مليار سنة. إنه عدم تطابق يشير مرة أخرى إلى أن HD 140283 أقدم من الكون. ومنذ ذلك الحين تم استبداله بدراسة عام 2019 التي نشرت في مجلة Science التي اقترحت ثابت هابل 82.4 - مما يشير إلى أن عمر الكون هو 11.4 مليار سنة فقط.
يعتقد ماثيوز أن الإجابات تكمن في صقل كوني أكبر. وقال: "أشك في أن علماء الكونيات في الرصد فقدوا شيئًا يخلق هذا التناقض ، بدلاً من علماء الفيزياء الفلكية النجمي" ، مشيرًا إلى أن قياسات النجوم ربما تكون أكثر دقة. "هذا ليس لأن علماء الكون هم أكثر انحرافًا بأي شكل من الأشكال ، ولكن لأن تحديد عمر الكون يخضع لمزيد من الشكوك والملاحظات النظرية الأكثر صعوبة ويمكن القول أنه أكثر من عدم اليقين من النجوم."
لذا ، كيف سيكتشف العلماء ذلك؟
ما الذي يمكن أن يجعل الكون يبدو أصغر سنًا من هذا النجم بالذات؟
قال ماثيوز: "هناك خياران ، ويقترح تاريخ العلم أنه في مثل هذه الحالات يكون الواقع مزيجًا من كليهما". "في هذه الحالة ، قد تكون مصادر أخطاء في الملاحظة لم يتم فهمها بالكامل ، بالإضافة إلى بعض الثغرات في نظرية ديناميكيات الكون ، مثل قوة الطاقة المظلمة ، والتي كانت المحرك الرئيسي للتوسع الكوني منذ مليارات السنين ".
يقترح إمكانية أن تعكس "مفارقة العمر" الحالية الاختلاف الزمني في الطاقة المظلمة ، وبالتالي تغيير في معدل التسارع - وهو احتمال وجده المنظرون قد يكون متوافقًا مع الأفكار حول الطبيعة الأساسية للجاذبية ، مثل ما يسمى نظرية المجموعات السببية. قال ماثيوز إن البحث الجديد في موجات الجاذبية يمكن أن يساعد في حل التناقض.
للقيام بذلك ، سينظر العلماء إلى التموجات في نسيج المكان والزمان الذي خلقته أزواج من النجوم الميتة ، بدلاً من الاعتماد على خلفية الميكروويف الكونية أو مراقبة الأجسام القريبة مثل متغيرات Cepheid والمستعرات الأعظمية لقياس ثابت هابل - الأول أدى إلى سرعة 67 كم في الثانية لكل ميجا باسكال والأخير في 73.
المشكلة هي أن قياس موجات الجاذبية ليست مهمة سهلة ، نظرًا لأنه تم اكتشافها بشكل مباشر فقط لأول مرة في عام 2015. ولكن وفقًا لستيفين فيني ، عالم الفيزياء الفلكية في معهد فلاتيرون في نيويورك ، يمكن تحقيق اختراق على مدار العقد المقبل. والفكرة هي جمع البيانات من التصادمات بين أزواج النجوم النيوترونية باستخدام الضوء المرئي الذي تصدره هذه الأحداث لمعرفة السرعة التي تتحرك بها بالنسبة للأرض. كما يستلزم تحليل موجات الجاذبية الناتجة للحصول على فكرة عن المسافة - وكلاهما يمكن أن يتحد لإعطاء قياس ثابت هابل الذي يجب أن يكون الأكثر دقة حتى الآن.
يؤدي سر عصر HD 140283 إلى شيء أكبر وأكثر تعقيدًا من الناحية العلمية ، مما يغير فهم كيفية عمل الكون.
قال ماثيوز: "إن التفسيرات الأكثر ترجيحًا للمفارقة هي بعض التأثيرات الملاحظة التي تم تجاهلها و / أو شيء كبير مفقود من فهمنا لديناميكيات التوسع الكوني". على وجه التحديد ما هو هذا "الشيء" ، من المؤكد أن يبقى علماء الفلك يواجهون التحدي لبعض الوقت.
مصادر إضافية:
