Trong hơn 100 năm, các nhà thiên văn học đã quan sát một ngôi sao tò mò nằm cách Trái đất khoảng 190 năm ánh sáng trong chòm sao Thiên Bình. Nó nhanh chóng hành trình trên bầu trời với tốc độ 800.000 dặm / giờ (1,3 triệu km mỗi giờ). Nhưng thú vị hơn thế, HD 140283 - hay Methuselah như thường được biết đến - cũng là một trong những ngôi sao lâu đời nhất của vũ trụ.
Năm 2000, các nhà khoa học đã tìm cách hẹn hò với ngôi sao bằng cách sử dụng các quan sát thông qua vệ tinh Hipparcos của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), ước tính tuổi 16 tỷ năm. Một con số như vậy là khá khó chịu và cũng khá khó hiểu. Như nhà thiên văn học Howard Bond của Đại học bang Pennsylvania đã chỉ ra, tuổi của vũ trụ - được xác định từ các quan sát của nền vi sóng vũ trụ - là 13,8 tỷ năm tuổi. "Đó là một sự khác biệt nghiêm trọng", ông nói.
Lấy theo mệnh giá, tuổi dự đoán của ngôi sao đã gây ra một vấn đề lớn. Làm thế nào một ngôi sao có thể già hơn vũ trụ? Hoặc, ngược lại, làm thế nào vũ trụ có thể trẻ hơn? Rõ ràng là Methuselah - được đặt tên liên quan đến một tộc trưởng trong Kinh thánh, người được cho là đã chết ở tuổi 969, khiến ông trở thành người sống lâu nhất trong tất cả các nhân vật trong Kinh thánh - đã già, vì người phụ nữ nghèo kim loại chủ yếu được tạo ra từ hydro và helium và chứa rất ít sắt. Thành phần của nó có nghĩa là ngôi sao phải ra đời trước khi sắt trở nên phổ biến.
Nhưng hơn hai tỷ năm tuổi so với môi trường của nó? Chắc chắn đó chỉ là không thể.
Nhìn kỹ hơn về thời đại của Methuselah
Bond và các đồng nghiệp của mình đặt ra nhiệm vụ tìm hiểu xem con số 16 tỷ ban đầu đó có chính xác hay không. Họ đã nghiên cứu trên 11 bộ quan sát đã được ghi lại từ năm 2003 đến 2011 bởi Bộ cảm biến dẫn hướng tốt của Kính viễn vọng Không gian Hubble, ghi chú về vị trí, khoảng cách và năng lượng của các ngôi sao. Trong việc thu thập thị sai, đo quang phổ và trắc quang, có thể xác định rõ hơn về tuổi.
"Một trong những điều không chắc chắn với tuổi HD 140283 là khoảng cách chính xác của ngôi sao", Bond nói với All About Space. "Điều quan trọng là phải làm điều này đúng bởi vì chúng ta có thể xác định rõ hơn độ sáng của nó và từ độ tuổi đó - độ sáng nội tại càng sáng, ngôi sao càng trẻ. Chúng tôi đang tìm kiếm hiệu ứng thị sai, nghĩa là chúng tôi đã xem ngôi sao sáu tháng ngoài việc tìm kiếm sự thay đổi vị trí của nó do chuyển động quỹ đạo của Trái đất, cho chúng ta biết khoảng cách. "
Cũng có sự không chắc chắn trong mô hình lý thuyết của các ngôi sao, chẳng hạn như tốc độ chính xác của các phản ứng hạt nhân trong lõi và tầm quan trọng của các yếu tố khuếch tán xuống ở các lớp bên ngoài, ông nói. Họ đã nghiên cứu ý tưởng rằng helium còn sót lại khuếch tán sâu hơn vào lõi, để lại ít hydro hơn để đốt cháy thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân. Với nhiên liệu được sử dụng nhanh hơn, tuổi được hạ xuống.
"Một yếu tố quan trọng khác là, trong tất cả mọi thứ, lượng oxy trong ngôi sao", Bond nói. HD 140283 có tỷ lệ oxy-sắt cao hơn dự đoán và do oxy không có nhiều trong vũ trụ trong vài triệu năm, nên nó lại chỉ ra một độ tuổi thấp hơn cho ngôi sao.
Bond và các cộng tác viên của ông ước tính tuổi của HD 140283 là 14,46 tỷ năm - giảm đáng kể so với 16 tỷ được tuyên bố trước đây. Tuy nhiên, con số đó vẫn hơn tuổi của vũ trụ, nhưng các nhà khoa học đã đặt ra một sự không chắc chắn còn lại là 800 triệu năm, mà Bond nói rằng làm cho tuổi của ngôi sao tương thích với thời đại của vũ trụ, mặc dù nó không hoàn hảo .
"Giống như tất cả các ước tính đo lường, nó chịu cả lỗi ngẫu nhiên và hệ thống", nhà vật lý Robert Matthews thuộc Đại học Aston ở Birmingham, Vương quốc Anh, người không tham gia vào nghiên cứu cho biết. "Sự chồng chéo trong các thanh lỗi cho thấy một số dấu hiệu về xác suất xảy ra đụng độ với các xác định tuổi vũ trụ", Matthews nói. "Nói cách khác, tuổi được hỗ trợ tốt nhất của ngôi sao là xung đột với tuổi bắt nguồn của vũ trụ và xung đột chỉ có thể được giải quyết bằng cách đẩy các thanh lỗi đến giới hạn cực hạn của chúng."
Các tinh chỉnh thêm cho thấy tuổi HD 140283 giảm thêm một chút. Một nghiên cứu tiếp theo năm 2014 đã cập nhật tuổi của ngôi sao lên 14,27 tỷ năm. "Kết luận đạt được là tuổi khoảng 14 tỷ năm và một lần nữa, nếu một người bao gồm tất cả các nguồn không chắc chắn - cả trong các phép đo quan sát và mô hình lý thuyết - lỗi là khoảng 700 hoặc 800 triệu năm, do đó không có xung đột bởi vì 13,8 tỷ năm nằm trong thanh lỗi của ngôi sao ", Bond nói.
Nhìn kỹ hơn về thời đại của vũ trụ
Đối với Bond, sự tương đồng giữa tuổi của vũ trụ và ngôi sao cũ gần đó - cả hai đều được xác định bằng các phương pháp phân tích khác nhau - là "một thành tựu khoa học đáng kinh ngạc cung cấp bằng chứng rất mạnh mẽ cho bức tranh vũ trụ Big Bang ". Ông nói rằng vấn đề với tuổi của những ngôi sao già nhất ít nghiêm trọng hơn nhiều so với những năm 1990 khi tuổi sao đang đến gần 18 tỷ năm hoặc, trong một trường hợp, 20 tỷ năm. "Với sự không chắc chắn của các quyết định, các thời đại hiện đang đồng ý," Bond nói.
Tuy nhiên, Matthews tin rằng vấn đề vẫn chưa được giải quyết. Các nhà thiên văn học tại một hội nghị quốc tế gồm các nhà vũ trụ học hàng đầu tại Viện Vật lý lý thuyết Kavli ở Santa Barbara, California, vào tháng 7 năm 2019 đã gây hoang mang cho các nghiên cứu đề xuất các độ tuổi khác nhau cho vũ trụ. Họ đang xem xét các phép đo của các thiên hà tương đối gần nhau cho thấy vũ trụ trẻ hơn hàng trăm triệu năm so với tuổi được xác định bởi nền vi sóng vũ trụ.
Trên thực tế, khác xa với 13,8 tỷ năm tuổi, theo ước tính của các phép đo chi tiết về bức xạ vũ trụ của kính viễn vọng không gian Planck năm 2013, vũ trụ có thể chỉ còn 11,4 tỷ năm. Một trong những người đứng sau các nghiên cứu là Adam Riess, người đoạt giải Nobel của Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian ở Baltimore, Maryland.
Các kết luận dựa trên ý tưởng về một vũ trụ đang mở rộng, như được thể hiện vào năm 1929 bởi Edwin Hubble. Đây là nền tảng của Big Bang - sự hiểu biết rằng đã từng có một trạng thái mật độ nóng bùng nổ, kéo dài không gian. Nó chỉ ra một điểm khởi đầu cần đo lường được, nhưng những phát hiện mới cho thấy tốc độ mở rộng thực sự cao hơn khoảng 10% so với đề xuất của Planck.
Thật vậy, nhóm Planck đã xác định rằng tốc độ mở rộng là 67,4 km mỗi giây trên mỗi megapixel, nhưng các phép đo gần đây hơn về tốc độ giãn nở của vũ trụ chỉ ra các giá trị 73 hoặc 74. Điều đó có nghĩa là có sự khác biệt giữa việc đo tốc độ nhanh như thế nào vũ trụ đang mở rộng ngày nay và dự đoán sẽ mở rộng nhanh như thế nào dựa trên vật lý của vũ trụ sơ khai, Riess nói. Nó dẫn đến việc đánh giá lại các lý thuyết được chấp nhận đồng thời cho thấy vẫn còn nhiều điều phải tìm hiểu về vật chất tối và năng lượng tối, được cho là đằng sau câu hỏi hóc búa này.
Giá trị cao hơn cho Hằng số Hubble cho thấy tuổi của vũ trụ ngắn hơn. Hằng số 67,74 km mỗi giây trên mỗi megapixel sẽ dẫn đến tuổi 13,8 tỷ năm, trong khi một trong 73, hoặc thậm chí cao tới 77 như một số nghiên cứu đã chỉ ra, sẽ chỉ ra tuổi vũ trụ không quá 12,7 tỷ năm. Đó là một sự không phù hợp cho thấy, một lần nữa, HD 140283 cũ hơn vũ trụ. Kể từ đó, nó cũng đã được thay thế bởi một nghiên cứu năm 2019 được công bố trên tạp chí Science đã đề xuất Hằng số Hubble là 82,4 - cho thấy tuổi của vũ trụ chỉ là 11,4 tỷ năm.
Matthews tin rằng các câu trả lời nằm trong sự sàng lọc vũ trụ lớn hơn. "Tôi nghi ngờ rằng các nhà vũ trụ học quan sát đã bỏ lỡ điều gì đó tạo ra nghịch lý này, thay vì các nhà vật lý thiên văn sao," ông nói, chỉ ra các phép đo của các ngôi sao có lẽ chính xác hơn. "Đó không phải là vì các nhà vũ trụ học trong bất kỳ cách nào chậm chạp hơn, mà bởi vì sự xác định tuổi của vũ trụ phải chịu nhiều sự không chắc chắn về mặt quan sát và lý thuyết khó hơn so với các ngôi sao."
Vì vậy, làm thế nào các nhà khoa học sẽ tìm ra điều này?
Điều gì có thể làm cho vũ trụ có khả năng xuất hiện trẻ hơn ngôi sao đặc biệt này?
"Có hai lựa chọn và lịch sử khoa học cho thấy rằng trong những trường hợp như vậy, thực tế là sự pha trộn của cả hai," Matthews nói. "Trong trường hợp này sẽ là nguồn gây ra lỗi quan sát chưa được hiểu đầy đủ, cộng với một số lỗ hổng trong lý thuyết về động lực học của vũ trụ, chẳng hạn như sức mạnh của năng lượng tối, là động lực chính của sự giãn nở vũ trụ trong nhiều tỷ năm nay. "
Ông cho rằng khả năng "nghịch lý tuổi tác" hiện tại phản ánh sự biến đổi thời gian của năng lượng tối, và do đó, sự thay đổi tốc độ gia tốc - một nhà lý thuyết khả năng đã tìm thấy có thể tương thích với các ý tưởng về bản chất cơ bản của lực hấp dẫn, như cái gọi là lý thuyết tập hợp nhân quả. Nghiên cứu mới về sóng hấp dẫn có thể giúp giải quyết nghịch lý, Matthews nói.
Để làm điều này, các nhà khoa học sẽ nhìn vào những gợn sóng trong kết cấu của không gian và thời gian được tạo ra bởi các cặp sao chết, thay vì dựa vào nền vi sóng vũ trụ hoặc theo dõi các vật thể gần đó như biến Cepheid và siêu tân tinh để đo Hằng số Hubble - cái trước dẫn đến tốc độ 67 km mỗi giây mỗi megapixel và cái sau là 73.
Rắc rối là, đo sóng hấp dẫn không phải là nhiệm vụ dễ dàng, vì chúng chỉ được phát hiện trực tiếp lần đầu tiên vào năm 2015. Nhưng theo Stephen Feeney, nhà vật lý thiên văn tại Viện Flatiron ở New York, một bước đột phá có thể được thực hiện trong quá trình thập kỉ tiếp theo. Ý tưởng là thu thập dữ liệu từ các vụ va chạm giữa các cặp sao neutron bằng ánh sáng khả kiến mà các sự kiện này phát ra để tìm ra tốc độ chúng đang di chuyển so với Trái đất. Nó cũng đòi hỏi phải phân tích các sóng hấp dẫn thu được cho một ý tưởng về khoảng cách - cả hai đều có thể kết hợp để đưa ra phép đo Hằng số Hubble là chính xác nhất.
Bí ẩn của thời đại HD 140283 đang dẫn đến một thứ gì đó lớn hơn và phức tạp hơn về mặt khoa học, làm thay đổi cách hiểu về cách thức vũ trụ hoạt động.
"Những lời giải thích có khả năng nhất cho nghịch lý là một số hiệu ứng quan sát bị bỏ qua và / hoặc thiếu một cái gì đó lớn từ sự hiểu biết của chúng ta về động lực của sự giãn nở vũ trụ," Matthews nói. Chính xác thì "cái gì đó" là gì, chắc chắn sẽ khiến các nhà thiên văn học bị thách thức trong một thời gian.
Tài nguyên bổ sung:
