一顆比宇宙還古老的星球,但是這怎麼可能

2020-12-06 開眼驚奇

宇宙中最古老的恆星,是編號為HD 140283、也被稱為瑪土撒拉星的一顆恆星。它有145億年的歷史,這個數字根本是令人難以置信的,因為我們的宇宙只有138億年歷史。這怎麼可能呢?怎麼可能會存在比空間、時間乃至整個宇宙更早的東西出現呢?

在過去的100年來,科學家們一直在觀測瑪土撒拉星。但是,即使是今天、我們對這顆恆星還是知之甚少,只知道它位於距地球190光年外的天秤星座,以每小時130萬公裡的速度向外層空間穿透。這幾乎是我們對瑪土撒拉星的所有認知,實際上,這顆恆星本身並不具備引起多少人關注的特點。然而,當2000年天文學家試圖測算瑪土撒拉星的年齡時,一切都變了。據最早的測算估計,它的誕生時間是160億年前,這開創了最久遠歷史的紀錄。

但科學家們無法相信這種可能性,他們決定進行進一步的研究。賓夕法尼亞州立大學的霍華德·邦德和他的同事們收集了11組觀測數據,這些數據是在2003年至2011年期間,通過哈勃望遠鏡的精密引導傳感器,記錄了這顆恆星的位置、距離和能量釋放。除此之外,邦德還研究了六個月的視差效應,也就是恆星相對於遠處背景星空與相對於觀測者位置的視覺位置的變化。這樣就可以更好地計算出恆星的亮度和它與地球間距離的係數。因為恆星越古老,它的亮度就越暗。在這項研究中,邦德並無法證明早期測算的恆星年齡是正確的,所以他認為之前的計算中一定出現了錯誤。

最初,恆星的年齡是通過核反應的速度來衡量的,恆星核心消耗氫氣的速度越快,它就越年輕。然後在氫氣之外,氦氣形成並也成為恆星的燃料。在經歷了10億年之後,一顆恆星將會減少一些亮度。而瑪土撒拉星已經相當暗淡了,早期的那個測算結果、是根據它已經燃燒了大約160億年氫氣的邏輯得出的。當然,這種計算恆星年齡的方法並不精準。所以,科學家們依舊努力地去探尋其它的方法來證明瑪土撒拉星並沒有那麼古老。經過努力,科學家們的確發現了一個最有可能表明這顆恆星年齡年輕一些的跡象。它與氧氣有關,在早期宇宙中氧氣實際上是不存在的,但是在瑪土撒拉星上,氧氣的佔比卻相當高,氧氣含量的高佔比連同其他的一些指標一起,使科學家能夠將恆星的年齡測算降低到144.6億年,但這仍然還沒能解決問題,因為即使這樣,這顆恆星依舊比宇宙早6.6億年。

研究人員也沒有就此止步,他們繼續試圖破解這個謎團。2014年,另一項研究將這顆恆星的年齡進一步降低至142.7億年。考慮到計算中的誤差,最後的結果大約是140億年,但這仍然比宇宙還要早2億年。霍華德·波恩認為計算錯誤的可能性依舊很大,他認為這顆恆星的年齡應該更年輕,應該是在宇宙大爆炸之後立即出現的。從合理性的角度,這是說得通的。但另一項研究卻震驚了天文學界,讓所有人變得又困惑不解了。

根據普朗克太空望遠鏡2013年獲得的信息推算,宇宙可能只有114億年歷史,而不是138億年。這是基於宇宙的膨脹速度推算而得的。直到20世紀末,物理學家們一直認為宇宙正在以每秒67.4公裡的速度膨脹。根據這一指標,科學家們推算出了138億這一數字。但是根據一項新的研究,宇宙膨脹的速度實際上可能是每秒74公裡。所以,按此計算,宇宙其實只有127億年歷史,然後,科學家們繼續進行了更精確的計算,結果卻是宇宙的膨脹速度其實更快,每秒82.4公裡,這就意味著它只有114億年的歷史。

宇宙的膨脹速度,即所謂的哈勃常數,可以通過兩種主要的方法來計算。一是通過殘留輻射推演,二是通過測量星系之間的距離變化。在第一種情況下,大爆炸作為一切的起始,通過監測那些被稱為宇宙微波背景或殘餘輻射的光線,我們可以反向推演曾經發生的事情。天文學家已經編制了非常精準的微波背景模型,使我們能夠模擬早期宇宙,包括當時的組成和膨脹速度。第二種方法是天文學家通過收集星系、恆星和超新星的數據,根據天體隨著它們的遠離而發生亮度變化這一特性,來計算空間膨脹的速度。而關於恆星年齡的矛盾差異就是從這裡產生的。

根據第一種方法,如果我們在維基百科上搜索宇宙的年齡,會看到的數字是138億年。然而,根據第二種方法,空間和時間要年輕好幾十億年。也許我們的宇宙在不同的發展時期是以不同的速度在膨脹,只是我們今天現有的理論還都無法解釋這一點。事實上,宇宙膨脹受到暗能量的影響,產生與引力相反的作用力。的確,沒有人確切地知道這種神秘力量到底是什麼。但是物理學家確信它的存在,而且是恆定不變的。如果是這樣的話,在整個宇宙的發展過程中,膨脹速度也將保持穩定,但這實際上並不是我們所觀測到的。所以,在這中間我們一定錯過了什麼。可能有什麼東西能夠影響到暗能量。

帕多瓦大學的物理學家馬西莫·斯多恩試圖找出究竟是什麼導致我們的宇宙如此的不穩定。他關注的重點是暗能量在很大程度上依賴於量子場這一事實。在所有的時間和空間中,每個量子場都專屬於某一類獨立的粒子類型。例如,所有電子都屬於電子場,所有的中微子都屬於中微子場。這些場相互作用產生的能量決定了宇宙的膨脹速度。然而,當物理學家試圖計算所有現存量子場的能量時。結果卻發現比暗能量高出了120個數量級。因此,馬西莫認為,一定有一種能夠影響暗能量乃至整個宇宙的,但又在科學上還未知的特殊粒子存在。的確,在物理學領域的早期研究中、這種粒子的存在就曾被預測到過,被命名為軸子。據推測,這種粒子在大爆炸後就產生了,但在數十億年中一直處於隱藏狀態,並沒有以任何形式顯現出來。現在,軸子已經被越來越多的關注到,並影響了整個關於宇宙發展的研究領域,也正是由於這一點,我們無法準確的測算出空間和時間到底是何時出現的。

但同時,這也引發了更多的猜想,如果宇宙的膨脹速度比130億年前快,這是否意味著今天的時間也在以不同的速度流逝?21世紀的10分鐘與宇宙誕生時的10分鐘是否並不相同?確切的答案目前還沒有,但是無論答案是什麼,按當前的計算,瑪土撒拉星仍然比宇宙古老。至少在科學家們解開暗能量及其難以捉摸的粒子之謎之前是這樣的。如果未來的理論和測算方法發展之後,確認這顆恆星的確比宇宙更為古老,那麼,也許在創世的宇宙大爆炸之前,還真有別的事情。

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