Per più di 100 anni, gli astronomi hanno osservato una stella curiosa situata a circa 190 anni luce dalla Terra nella costellazione della Bilancia. Attraversa rapidamente il cielo a 800.000 mph (1,3 milioni di chilometri all'ora). Ma più interessante di questo, HD 140283 - o Methuselah come è comunemente noto - è anche una delle stelle più antiche conosciute dell'universo.
Nel 2000, gli scienziati hanno cercato di uscire con la stella usando le osservazioni tramite il satellite Hipparcos dell'Agenzia spaziale europea, che aveva un'età di 16 miliardi di anni. Una figura del genere era piuttosto strabiliante e anche piuttosto sconcertante. Come ha sottolineato l'astronomo Howard Bond della Pennsylvania State University, l'età dell'universo - determinata dalle osservazioni del fondo cosmico a microonde - ha 13,8 miliardi di anni. "È stata una grave discrepanza", ha detto.
Preso al valore nominale, l'età prevista della stella ha sollevato un grave problema. Come potrebbe una stella essere più vecchia dell'universo? O, al contrario, come potrebbe l'universo essere più giovane? Era certamente chiaro che Methuselah - chiamato in riferimento a un patriarca biblico che si dice fosse morto all'età di 969 anni, rendendolo la vita più lunga di tutte le figure della Bibbia - era vecchio, poiché il subgiante povero di metalli è prevalentemente fatto di idrogeno ed elio e contiene pochissimo ferro. La sua composizione significa che la stella deve essere nata prima che il ferro diventasse un luogo comune.
Ma più di due miliardi di anni in più rispetto al suo ambiente? Sicuramente non è possibile.
Guardando più da vicino l'età di Matusalemme
Bond e i suoi colleghi si sono dati il compito di capire se quella cifra iniziale di 16 miliardi fosse o meno accurata. Hanno analizzato oltre 11 serie di osservazioni che erano state registrate tra il 2003 e il 2011 dai Fine Guidance Sensors del telescopio spaziale Hubble, che prendono nota delle posizioni, delle distanze e della produzione di energia delle stelle. Nell'acquisizione di misurazioni di parallasse, spettroscopia e fotometria, si potrebbe determinare un migliore senso dell'età.
"Una delle incertezze con l'età di 140283 HD era la distanza precisa della stella", ha detto Bond a All About Space. "Era importante farlo bene perché possiamo determinare meglio la sua luminosità e da quella sua età - più luminosa è la luminosità intrinseca, più giovane è la stella. Stavamo cercando l'effetto di parallasse, il che significava che stavamo osservando la stella sei mesi a parte per cercare lo spostamento nella sua posizione dovuto al movimento orbitale della Terra, che ci dice la distanza ".
Ci sono state anche incertezze nella modellizzazione teorica delle stelle, come i tassi esatti delle reazioni nucleari nel nucleo e l'importanza degli elementi che si diffondono verso il basso negli strati esterni, ha detto. Hanno lavorato sull'idea che l'elio rimanente si diffonda più profondamente nel nucleo, lasciando bruciare meno idrogeno attraverso la fusione nucleare. Con il carburante usato più velocemente, l'età viene ridotta.
"Un altro fattore importante era, tra l'altro, la quantità di ossigeno nella stella", ha detto Bond. La HD 140283 aveva un rapporto ossigeno / ferro superiore alle previsioni e, poiché l'ossigeno non era abbondante nell'universo per alcuni milioni di anni, indicava nuovamente un'età inferiore per la stella.
Bond e i suoi collaboratori hanno stimato che l'età di HD 140283 era di 14,46 miliardi di anni, una riduzione significativa rispetto ai 16 miliardi precedentemente rivendicati. Questo, tuttavia, era ancora più dell'età dell'universo stesso, ma gli scienziati hanno posto un'incertezza residua di 800 milioni di anni, che Bond ha reso compatibile con l'età della stella con l'età dell'universo, anche se non era del tutto perfetta .
"Come tutte le stime misurate, è soggetto a errori sia casuali che sistematici", ha dichiarato il fisico Robert Matthews della Aston University di Birmingham, nel Regno Unito, che non è stato coinvolto nello studio. "La sovrapposizione nelle barre di errore fornisce alcune indicazioni sulla probabilità di uno scontro con determinazioni dell'età cosmologiche", ha detto Matthews. "In altre parole, l'età della stella meglio supportata è in conflitto con quella dell'età derivata dell'universo e il conflitto può essere risolto solo spingendo le barre di errore ai loro limiti estremi."
Ulteriori perfezionamenti hanno visto un ulteriore calo dell'età di HD 140283. Uno studio di follow-up del 2014 ha aggiornato l'età della stella a 14,27 miliardi di anni. "La conclusione raggiunta è stata che l'età è di circa 14 miliardi di anni e, ancora una volta, se si includono tutte le fonti di incertezza - sia nelle misurazioni osservative che nella modellazione teorica - l'errore è di circa 700 o 800 milioni di anni, quindi non c'è conflitto perché 13,8 miliardi di anni si trovano all'interno della barra degli errori della stella ", ha detto Bond.
Dai un'occhiata più da vicino all'età dell'universo
Per Bond, le somiglianze tra l'età dell'universo e quella di questa vecchia stella vicina - entrambe determinate da diversi metodi di analisi - è "un incredibile risultato scientifico che fornisce prove molto forti per il quadro dell'universo del Big Bang ". Ha detto che il problema con l'età delle stelle più antiche è molto meno grave di quanto non fosse negli anni '90 quando le età stellari si stavano avvicinando a 18 miliardi di anni o, in un caso, a 20 miliardi di anni. "Con le incertezze delle determinazioni, le età sono ora d'accordo", ha detto Bond.
Eppure Matthews ritiene che il problema non sia stato ancora risolto. Gli astronomi in una conferenza internazionale dei migliori cosmologi del Kavli Institute for Theoretical Physics a Santa Barbara, in California, a luglio 2019, erano sconcertati da studi che suggerivano epoche diverse per l'universo. Stavano esaminando le misurazioni di galassie che sono relativamente vicine, il che suggerisce che l'universo è più giovane di centinaia di milioni di anni rispetto all'età determinata dal fondo cosmico a microonde.
In effetti, lungi dall'essere 13,8 miliardi di anni, come stimato dalle misurazioni dettagliate delle radiazioni cosmiche del telescopio spaziale Planck europeo nel 2013, l'universo può avere appena 11,4 miliardi di anni. Uno di quelli dietro gli studi è il premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland.
Le conclusioni si basano sull'idea di un universo in espansione, come mostrato nel 1929 da Edwin Hubble. Questo è fondamentale per il Big Bang: la comprensione che una volta era esploso uno stato di calda densità, che allungava lo spazio. Indica un punto di partenza che dovrebbe essere misurabile, ma nuove scoperte suggeriscono che il tasso di espansione è in realtà circa il 10% superiore a quello suggerito da Planck.
In effetti, il team Planck ha stabilito che la velocità di espansione era di 67,4 km al secondo per megaparsec, ma le misurazioni più recenti prese della velocità di espansione dell'universo indicano valori di 73 o 74. Ciò significa che c'è una differenza tra la misurazione della velocità l'universo si sta espandendo oggi e le previsioni di quanto velocemente dovrebbe espandersi in base alla fisica dell'universo primordiale, ha detto Riess. Sta portando a una rivalutazione delle teorie accettate mentre mostra anche che c'è ancora molto da imparare sulla materia oscura e sull'energia oscura, che si ritiene siano alla base di questo enigma.
Un valore più elevato per la costante di Hubble indica un'età più breve per l'universo. Una costante di 67,74 km al secondo per megaparsec porterebbe a un'età di 13,8 miliardi di anni, mentre una di 73, o addirittura alta come 77, hanno indicato alcuni studi, indicherebbe un'età dell'universo non superiore a 12,7 miliardi di anni. È una discrepanza che suggerisce, ancora una volta, che l'HD 140283 è più vecchio dell'universo. Da allora è stato anche sostituito da uno studio del 2019 pubblicato sulla rivista Science che ha proposto una costante di Hubble di 82,4, suggerendo che l'età dell'universo è solo di 11,4 miliardi di anni.
Matthews crede che le risposte stiano nel maggior raffinamento cosmologico. "Sospetto che i cosmologi osservatori abbiano perso qualcosa che crea questo paradosso, piuttosto che gli astrofisici stellari", ha detto, indicando che le misurazioni delle stelle sono forse più accurate. "Questo non perché i cosmologi siano in qualche modo più sciatti, ma perché la determinazione dell'età dell'universo è soggetta a incertezze osservative e teoriche più e probabilmente più complicate di quella delle stelle."
Quindi, come faranno gli scienziati a capirlo?
Cosa potrebbe rendere l'universo potenzialmente più giovane di questa stella in particolare?
"Ci sono due opzioni e la storia della scienza suggerisce che in questi casi la realtà è un mix di entrambi", ha detto Matthews. "In questo caso sarebbero fonti di errore osservativo che non sono state completamente comprese, oltre ad alcune lacune nella teoria della dinamica dell'universo, come la forza dell'energia oscura, che è stata il principale motore dell'espansione cosmica da molti miliardi di anni ".
Suggerisce la possibilità che l'attuale "paradosso dell'età" rifletta la variazione del tempo nell'energia oscura, e quindi un cambiamento nel tasso di accelerazione - una possibilità che i teorici hanno scoperto potrebbe essere compatibile con idee sulla natura fondamentale della gravità, come il cosiddetto teoria degli insiemi causali. Nuove ricerche sulle onde gravitazionali potrebbero aiutare a risolvere il paradosso, ha detto Matthews.
Per fare questo, gli scienziati avrebbero esaminato le increspature nel tessuto dello spazio e del tempo create da coppie di stelle morte, piuttosto che fare affidamento sullo sfondo a microonde cosmico o sul monitoraggio di oggetti vicini come variabili cefeidi e supernovae per misurare la costante di Hubble - il primo ha portato alla velocità di 67 km al secondo per megaparsec e il secondo a 73.
Il problema è che misurare le onde gravitazionali non è un compito facile, dato che sono state rilevate direttamente per la prima volta nel 2015. Ma secondo Stephen Feeney, un astrofisico del Flatiron Institute di New York, si potrebbe fare una svolta nel corso del prossimo decennio. L'idea è quella di raccogliere dati dalle collisioni tra coppie di stelle di neutroni usando la luce visibile emessa da questi eventi per capire la velocità con cui si muovono rispetto alla Terra. Implica anche l'analisi delle onde gravitazionali risultanti per un'idea della distanza, entrambe le quali possono combinarsi per dare una misura della costante di Hubble che dovrebbe essere la più accurata finora.
Il mistero dell'età di HD 140283 sta portando a qualcosa di più grande e scientificamente più complesso, alterando la comprensione di come funziona l'universo.
"Le spiegazioni più probabili per il paradosso sono alcuni effetti osservativi trascurati e / o qualcosa che manca alla nostra comprensione della dinamica dell'espansione cosmica", ha detto Matthews. Proprio quello che è quel "qualcosa", è sicuro di tenere gli astronomi sfidati per qualche tempo.
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