مسن ترین ستاره چند ساله است؟

اگر سن جهان ۱۳/۸ میلیارد سال است، چگونه ممکن است سن ستاره‌ای بیش از ۱۴ میلیارد سال باشد؟

بیش از ۱۰۰ سال است که ستاره‌شناس‌ها مشغول رصد ستاره‌ای عجیب هستند که در فاصله‌ی ۱۹۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی میزان قرار دارد. این ستاره با سرعت بالای ۱/۳ میلیون کیلومتربرساعت در آسمان شب حرکت می‌کند؛ اما نکته‌ی جالب درباره‌ی HD 140283 یا متوشالح این است که یکی از مسن‌ترین ستاره‌های شناخته‌شده در جهان محسوب می‌شود.

دانشمندان در سال ۲۰۰۰ از طریق رصدهای ماهواره‌ی هیپارکوس متعلق به ESA (آژانس فضایی اروپا) قدمت ستاره‌ی متوشالح را ۱۶ میلیارد سال تخمین زدند. این رقم به‌شدت گیج‌کننده بود زیرا به‌گفته‌ی هوارد باند، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، سن جهان براساس تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی، ۱۳/۸ میلیارد سال است.

به همین دلیل عمر تقریبی متوشالح مسئله‌ی پیچیده‌ای را به وجود می‌آورد: چگونه یک ستاره می‌تواند مسن‌تر از جهان باشد؟ یا برعکس، چگونه ممکن است جهان از ستاره‌ی خود جوان‌تر باشد؟ واضح است که متوشالح (نام این ستاره برگرفته از اسطوره‌ی سامی بوده که با طول عمر ۹۶۹ سال مسن‌ترین اسطوره‌ی سامی است) سن زیادی دارد زیرا بخش زیادی از این غول فلزی از هیدروژن و هلیوم و بخش کمی از آن را آهن تشکیل می‌دهد و این ترکیب یعنی ستاره قبل از فراوانی عنصر آهن شکل گرفته است. اما چگونه ممکن است ستاره‌ی متوشالح پیرتر از محیط خود باشد؟ قطعا چنین چیزی ممکن نیست.

تصویر دیجیتالی Sky Survey مسن‌ترین ستاره‌ی شناخته‌شده در کهکشان را نشان می‌دهد. این ستاره که متوشالح یا HD 140283 نامیده می‌شود، ۱۹۰.۱ سال نوری از زمین فاصله دارد. طبق تخمین ستاره‌شناس‌ها سن این ستاره تقریبا ۱۴/۳ میلیارد سال با احتمال خطای ۸۰۰ میلیون سال است. این تصویر در تاریخ ۷ مارس ۲۹۱۳ منتشر شده است.

نگاهی دقیق‌تر به متوشالح

باند و همکاران او به بررسی درستی تخمین عمر ۱۶ میلیارد سال برای متوشالح پرداختند؛ به این منظور از ۱۱ مجموعه رصد استفاده کردند که بین سال‌های ۲۰۰۳ و ۲۰۱۱۱ از طریق حسگرهای Fine Guidance تلسکوپ فضایی هابل ثبت شده‌اند و شامل اطلاعاتی مثل موقعیت ستاره‌ها، فاصله و انرژی خروجی از آن‌ها هستند. در اندازه‌گیری‌های نورسنجی و طیف‌سنجی می‌توان به درک بهتری از سن ستاره‌ها رسید. باند می‌گوید:

یکی از ابهامات مربوط به سن HD 140283 یا متوشالح فاصله‌ی دقیق آن از زمین است. دقت این بررسی اهمیت زیادی دارد زیرا با پی‌بردن به درخشش ستاره می‌توان سن آن را به دست آورد. هرچقدر درخشش ستاره‌ای بیشتر باشد ستاره جوان‌تر است. در این اندازه‌گیری، به‌دنبال اختلاف منظر رفتیم؛ یعنی ۶  ماه بعد مجددا به رصد آن پرداختیم و براساس جابه‌جایی موقعیت ستاره بر اثر حرکت مداری زمین، می‌توانیم فاصله را به‌دست آوریم.

از طرفی، ابهاماتی مثل نسبت دقیق فعل و انفعالات هسته‌ای در هسته‌ی ستاره و عناصری که به سمت لایه‌های بیرونی ستاره توزیع می‌شوند، بر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند. توزیع باقی‌مانده‌ی هلیوم به هسته باعث می‌شود، هیدروژن کمتری برای فرایند همجوشی هسته‌ای باقی بماند. هرچقدر سرعت مصرف سوخت بالاتر برود سن ستاره کاهش پیدا می‌کند.

این تصویر نمای پشتی آسمان ستاره‌ی قدیمی متوشالح یا HD 140283 را نشان می‌دهد و در تاریخ ۷ مارس ۲۰۱۳ منتشر شد.

به‌گفته‌ی باند معیار مهم دیگر در تخمین سن ستاره‌، میزان اکسیژن موجود در آن است. نسبت اکسیژن به آهن در ستاره‌ی HD 140283 فراتر از انتظار است و ازآنجاکه به مدت چند میلیون سال فراوانی اکسیژن در جهان پائین بوده است، سن ستاره کمتر ارزیابی می‌شود.

طبق تخمین باند و همکاران، ستاره‌ی HD 140283 تنها ۱۴/۴۶ میلیارد سال دارد که نسبت به ادعای قبلی (۱۶ میلیارد سال) کاهش چشمگیری داشته است. سن تخمینی باز هم بیشتر از سن جهان بود؛ به همین دلیل دانشمندان احتمال خطای ۸۰۰ میلیون ساله را برای آن در نظر گرفتند که به نظر باند با این خطا سن ستاره منطبق با سن کیهان می‌شود؛ اگرچه باز هم این میزان دقیق نیست. به‌گفته‌ی روبرت متیوس، فیزیک‌دان دانشگاه آستون بیرمنگام بریتانیا که در این بررسی مشارکتی نداشته است:

مانند بسیاری از تخمین‌های دیگر احتمال خطای تصادفی و سیستماتیک در این تخمین هم وجود دارد. همپوشانی در نوارهای خطا نشان‌دهنده‌ی اختلاف بین اندازه‌گیری‌های سن کیهانی است. به بیان دیگر سن قابل اطمینان ستاره در تضاد با سن به‌دست‌آمده از جهان است که براساس اندازه‌گیری‌های تابش مایکروویوی پس‌زمینه‌ی کیهانی به دست آمده و این اختلاف را می‌توان با رساندن نوارهای خطا به حد نهایی حل کرد.

براساس اصلاحات بعدی سن HD 140283 اندکی کاهش یافت. در بررسی سال ۲۰۱۸ سن ستاره به ۱۴/۲۷ میلیارد سال رسید. باند می‌گوید:

براساس نتایج، سن ستاره ۱۴ میلیارد سال است و در صورتی که کل منابع ابهام شامل اندازه‌گیری‌های عینی و مدل‌سازی تئوری در نظر گرفته شوند، خطا تقریبا ۷۰۰ یا ۸۰۰ میلیون سال خواهد بود بنابراین هیچ اختلافی وجود نخواهد داشت زیرا ۱۳/۸ میلیارد سال سن جهان در نوار خطای ستاره قرار خواهد گرفت.

این نمودار گرافیکی طول عمر کیهان را براساس نظریه‌ی بیگ‌بنگ و مدل‌های انبساط نشان می‌دهد

نگاهی دقیق‌تر به سن جهان

از دیدگاه باند، شباهت‌های بین سن جهان و ستاره‌ی قدیمی آن (هر دو با روش‌های متفاوت تحلیلی تخمین زده شدند) دستاورد علمی شگفت‌انگیزی است که می‌تواند مدرکی بسیار قوی برای چشم‌انداز بیگ‌بنگ باشد. امروزه مسئله‌ سن ستاره‌های قدیمی نسبت به دهه‌ی ۱۹۹۰ دقیق‌تر شده است. در آن زمان سن ستاره‌ها به ۱۸ میلیارد سال یا حتی بیست میلیارد سال هم می‌رسید. باند می‌گوید: «با ابهام در تخمین‌ها، سن‌های قابل قبول‌تری به دست می‌آیند.»

بااین‌حال، به اعتقاد متیوس این مسئله هنوز حل نشده‌ است. در ژوئیه‌ی ۲۰۱۹، ستاره‌شناسان در کنفرانس بین‌المللی کیهان‌شناسان برتر در موسسه‌ی فیزیکی تئوری کاویل (واقع در سانتا باربارا، کالیفرنیا) به بررسی مسئله‌ی سن جهان پرداختند. آن‌ها نگاهی به کهکشان‌های نسبتا نزدیک‌تر انداختند که نشان می‌دهند جهان نسبت به اندازه‌گیری تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی، صدها میلیون سال جوان‌تر است.

درواقع طبق اندازه‌گیری‌های دقیق تلسکوپ فضایی پلانک از پرتوهای کیهانی در سال ۲۰۱۳، جهان ممکن است حتی ۱۱/۴ میلیارد سال عمر داشته باشد. یکی از حامیان این بررسی، آدام ریس، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل از موسسه‌ی تلسکوپ فضایی بالتیمور مریلند است.

نتایج پژوهش یاد‌شده براساس نظریه‌ی جهان در حال انبساط ادوین هابل (۱۹۲۹) به دست آمده‌اند. این فرضیه بنیان بیگ‌بنگ است. طبق نظریه‌ی بیگ‌بنگ، جهان در ابتدا تراکمی از گازهای داغ بوده است که منفجر می‌شود و به‌مرور انبساط پیدا می‌کند. بیگ‌بنگ نقطه‌ی شروعی برای اندازه‌گیری سن جهان است اما طبق یافته‌های جدیدتر، سرعت انبساط جهان ده درصد بیشتر از سرعت پیشنهادی پلانک است.

براساس اندازه‌گیری‌های تیم پلانک، نسبت انبساط ۶۷/۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک است اما در اندازه‌گیری‌های جدید نسبت انبساط جهان به ۷۳ یا ۷۴ می‌رسد. این یعنی بین اندازه‌گیری سرعت انبساط کنونی جهان و پیش‌بینی‌های گذشته درباره‌ی انبساط جهان آغازین تفاوت وجود دارد. نتیجه‌ی این اختلاف، ارزیابی مجدد تئوری‌های پذیرفته شده و در عین حال تأثیر احتمالی ماده یا انرژی تاریک بر این مسئله است.

هرچقدر میزان ثابت هابل بیشتر باشد، سن جهان کمتر است. ثابت ۶۷.۷۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به‌معنی سن ۱۳.۸ میلیارد ساله است، درحالی‌که در بعضی بررسی‌های این میزان ۷۳ یا ۷۷ است که نشان می‌دهد سن جهان بیشتر از ۱۲/۷ میلیارد سال نیست. همین عدم تطبیق یک بار دیگر ثابت می‌کند HD 140283 مسن‌تر از جهان است. براساس پژوهشی که در سال ۲۰۱۹ در مجله‌ی Science منتشر شد، ثابت هابل ۸۲/۴ به دست آمده بود که نشان می‌دهد سن جهان تنها ۱۱/۴ میلیارد سال است.

متیوس معتقد است پاسخ در تصحیح کیهانی بیشتر نهفته است. او می‌گوید:

گمان می‌کنم کیهان‌شناسان چیزی را از قلم انداخته‌ باشند و این اختلاف به وجود آمده است و فکر نمی‌کنم خطایی متوجه ستاره‌شناسان باشد. به همین دلیل شاید بهتر است اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر باشند. البته دلیل این مشکل، بی‌نظمی یا بی‌دقتی کیهان‌شناس‌ها نیست زیرا به‌طور کلی اندازه‌گیری سن جهان دشوارتر و از نظر تئوری عدم قطعیت در آن بیشتر از اندازه‌گیری‌های ستاره‌ای است.

طرحی از شکل‌گیری اولین ستاره‌ها

دانشمندان چگونه این مسئله را حل می‌کنند؟

اما چه عاملی باعث می‌شود جهان از یک ستاره جوان‌تر شود؟ متیوس می‌گوید:

دو احتمال وجود دارد و تاریخچه‌ی علم نشان می‌دهد در چنین مواردی، حقیقت ترکیبی از هر دو احتمال است. در این نمونه‌، منابع خطاهای عینی که به‌خوبی درک نشده‌اند به‌علاوه‌ی برخی شکاف‌ها در نظریه‌ی تغییرات جهان مثل میزان قدرت ماده‌ی تاریک از عوامل خطا هستند. ماده‌ی تاریک به مدت میلیاردها سال محرک اصلی انبساط کیهانی بوده است.

متیوس نشان می‌دهد «پارادوکس سنی» فعلی نشان‌دهنده‌ی تغییرات زمانی در انرژی تاریک و درنتیجه تغییر سرعت است؛ احتمالی که به عقیده‌ی نظریه‌پردازها منطبق با ماهیت بنیادی جاذبه از جمله نظریه‌ی مجموعه‌ی علیتی است. براساس پژوهش‌های جدید امواج گرانشی می‌توان این پارادوکس را حل کرد.

درک سن ستاره متوشالح می‌تواند درک کلی از انبساط جهان را متحول کند

دانشمندان برای اندازه‌گیری ثابت هابل، به‌جای تکیه بر تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی یا نظارت بر اجرام نزدیک به آن مثل متغیرهای قیفاووسی و سوپرنواها، به بررسی نوسان‌های موجود در بافت فضا و زمان پرداختند که توسط زوج ستاره‌های مرده به وجود آمده‌اند. نتیجه‌ی روش اول سرعت ۷۳ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک و نتیجه‌ی روش دوم سرعت ۶۷ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک بود.

البته اندازه‌گیری امواج گرانشی کار آسانی نیست و پژوهشگرها تنها یک بار در سال ۲۰۱۵ موفق به کشف مستقیم آن‌ها شدند؛ اما به نقل از استفان فینی، اخترفیزیک دان موسسه‌ی فلاتیرون نیویورک در دهه‌ی آینده شاهد پیشرفت دراین‌زمینه خواهیم بود. از طریق جمع‌آوری داده‌های حاصل از برخورد دو زوج ستاره‌ی نوترونی با استفاده از نور مرئی حاصل از این برخورد، می‌توان به محاسبه‌ی سرعت حرکت آن‌ها نسبت به زمین پرداخت. سپس می‌توان هر دو را برای اندازه‌‌گیری دقیق‌ترین ثابت هابل با یکدیگر ترکیب کرد. راز سن HD 140283 از نظر علمی پیچیده‌تر است و می‌تواند درک فعلی از عملکرد جان را تغییر دهد. به‌گفته‌ی متیوس:

محتمل‌ترین توضیح برای این پارادوکس می‌تواند در خطای چشم‌پوشی شده نهفته شده یا ناشی از حفره‌ای بزرگ در درک ما نسبت به تغییرات انبساط کیهانی باشد.

علت این رویداد هرچه باشد، مدتی است ذهن ستاره‌شناس‌ها را به خود مشغول کرده است.