ستاره ای که سن بیشتری از هستی دارد؛ چگونه ممکن است؟!

متوشالح، ستاره ای که سن بیشتری از هستی دارد و مدت هاست که دانشمندان را درگیر خود کرده است. برای درک این معما در ادامه با ما باشید.

کیهان شگفتی‌های بسیاری دارد و اسرار و رموز آن همچنان برای بشر ناشناخته مانده است. اطلاعات ما از دنیای پیرامون خود بسیار جزئی و محدود است. دانشمندان و ستاره شناسان روز به روز در حال کاوش اعماق آسمان هستند تا بتوانند رازهای خلقت را دریابند و پرسش‌های اساسی هستی را درک کنند.

در جدیدترین پژوهش‌ها و رصدهای اخترشناسان مشخص شده که ستاره‌ای در فاصله ۱۹۰ سال نوری از زمین وجود دارد که به لحاظ سنی بسیار سالخورده تر از جهان ۱۳.۸ میلیارد ساله است. اما سوال اینجاست که چگونه می‌شود جزئی از این کل لایتناهی مسن تر باشد؟ برای پاسخ این سوال با گجت نیوز همراه باشید.

ستاره ای که سن بیشتری از هستی دارد
حدود دو دهه پیش بود که برای نخستین بار دانشمندان موفق شدند ستاره‌ای را در اعماق آسمان رصد کنند و فکر می‌کردند که این جرم آسمانی قدیمی ترین ستاره در کیهان است. پس از آن اخترشناسان به لطف ماهواره هیپارکوس آژانس فضایی اروپا به مشاهدات خود ادامه دادند و دریافتند که ستاره HD140283 یا متوشالح، قدمتی ۱۶ میلیارد ساله دارد.

دستیابی به چنین عدد و رقمی برای محققان بسیار خیره کننده و در عین حال عجیب و غریب بود. آنها گیج شده بودند چرا که آنها می‌دانستند سن جهان بر اساس مشاهدات تابش زمینه کیهانی حدود ۱۳.۸ میلیارد سال است. سوال اینجا بود که چگونه می‌شود کیهان ۱۳.۸ میلیارد ساله باشد در حالی که ستاره درون آن ۱۶ میلیارد ساله است!

به گفته هاوارد باند که از اخترشناسان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است، این مسئله متناقض بود. نتیجه همکاری باند با تیم تحت نظرش به شدت گیج کننده بود و نه تنها باری از روی دوش آنها برنداشت که آنها را گیج تر کرد. از یک سده پیش ستاره شناسان مشغول تماشای متوشالح بودند و آن را رصد می‌کردند. شاید بد نباشد که بدانید متوشالح نام یکی از اساطیر سامی است که گفته می‌شود ۹۶۹ سال سن دارد و در کتاب مقدس طولانی ترین عمر را دارد.

ستاره عجیب و غریبی که دانشمندان موفق به رصد آن شده‌اند همان‌طور که گفتیم در فاصله ۱۹۰ سال نوری از ما و در صورت فلکی ترازو قرار دارد و عرض آسمان را با سرعت ۱.۳ میلیون کیلومتر بر ساعت می‌پیماید. همان‌طور که از شواهد امر پیداست، از ابتدا مشخص بود که متوشالح یک ستاره باستانی و قدیمی است.

این ستاره مرموز عاری از هرگونه فلز است و دو عنصر غالبی که در آن پیدا شده، هلیوم و هیدروژن بوده است. از طرفی متوشالح آهن بسیار کمی در خود دارد و این ترکیب عناصر نشان می‌دهد که زمانی به وجود آمده که هلیوم و هیدروژن عناصر غالب جهان بوده‌اند. گفتنی است که عناصر سنگین تر از آهن تنها زمانی پدیدار شدند که ستاره‌های غول پیکر در هسته خود آنها را ایجاد کردند.

با کاوش بیشتر در مورد این ستاره سوالات زیادی پیش می‌آید اما شاید مهمترین آن این باشد که متوشالح واقعا از محیط خود، دو میلیارد سال بزرگتر است؟ پاسخ ابتدایی و اولیه منفی است. احتمال قوی تر این است که جهان پیرامون ما ۱۳.۸ میلیارد سال نیست و خیلی بیشتر قدمت دارد. دومین احتمال این است که واقعا ستاره به طرز عجیبی از ظرف خود بزرگتر باشد و سومین احتمال این است که معیارهای سن سنجی به کلی اشتباه است.

سن متوشالح چقدر است؟

اینکه سن متوشالح واقعا چقدر است، معمایی بزرگ بود و دانشمندان نمی‌توانستند به راحتی از کنار آن عبور کنند. باند و تیم تحت سرپرستی‌اش سعی کردند تا در سال‌های ۲۰۰۳ و ۲۰۱۱ با استفاده از شواهد و مشاهدات خود پرده از راز هستی این ستاره بردارند. مشاهدات آنها توسط سنسورهای نازک بین راهنمای تلسکوپ فضایی هابل که موقعیت، فاصله و انرژی خروجی ستارگان را تشخیص می‌دهند، صورت پذیرفته بود.

گفتنی است که اخترشناسان می‌توانند با به دست آوردن اندازه گیری‌های اختلاف منظر، طیف سنجی و نورسنجی سن ستاره را تعیین کنند. به گفته باند، یکی از ابهامات در رابطه با سن متوشالح، فاصله دقیق این ستاره بود. اینکه بتوانیم فاصله ستاره را به درستی و به دقت تعیین کنیم، اهمیت زیادی دارد. علت اهمیت دقت و صحت فاصله ستاره این است که هر چه ستاره نزدیک تر باشد می‌توان درخشندگی و سن آن را بهتر تشخیص داد.

اصولا هر چه ستاره درخشان تر باشد، احتمال اینکه جوان تر است بیشتر خواهد بود. باند در ادامه توضیح می‌دهد که برای تعیین فاصله دقیق منتظر اثر اختلاف منظر بوده‌اند و این یعنی اینکه ستاره را در فاصله ۶ ماهی رصد می‌کردند تا بهترین موقعیت برای دیدن آن پیدا شود. باند می‌گوید:

در مدلسازی نظری ستارگان نظیر سرعت دقیق واکنش‌های هسته‌ای در هسته و اهمیت انتشار رو به پایین عناصر در لایه‌های بیرونی نیز ابهاماتی وجود داشت.
باند و تیم همکارانش روی این ایده کار کردند که هلیوم باقی مانده در اعماق بیشتری از هسته منتشر می‌شود و هیدروژن کمتری برای سوختن از طریق همجوشی هسته‌ای باقی می‌گذارد و در ادامه با مصرف سریعتر سوخت، سن نیز کاهش می‌یابد. به گفته باند، یکی دیگر از عواملی که اهمیت بالایی داشت، میزان اکسیژن موجود در این ستاره بود. آن طور که باند می‌گوید نسبت اکسیژن به آهن در HD140283 بیشتر از آن چیزی بود که پیش بینی کرده بودند و از آنجایی که اکسیژن برای چند میلیون سال در جهان فراوان نبود، این نسبت بالا از سن کمتر ستاره حکایت می‌کرد.

پایان پژوهش‌های باند و همکارانش این گونه بود که سن ستاره متوشالح را ۱۴.۴۶ میلیارد سال تخمین زدند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید این عدد برای سن متوشالح بسیار کمتر از ۱۶ میلیارد سال اولیه بود. البته می‌دانید که ۱۴.۴۶ باز هم نسبت به سن اصلی کیهان بیشتر است و باز هم این معادله پایش لنگ می‌زند. بنابراین تلاش‌های باند همچنان بی‌نتیجه بود و تنها چیزی که می‌شد از آن برداشت کرد، این بود که متوشالح یک ستاره رازآلود و مرموز است.

پس از ستاره شناسان و دیگر دانشمندان فرضیه‌ای را مطرح کردند و در طی آن حدود ۸۰۰ میلیون سال از ۱۴.۴۶ میلیارد سال را کم کردند و این گونه شد که سن ستاره تقریباً با سن کیهان یکسان گردید و دستاورد بزرگی را برای دانشمندان رقم زد. یکی از دانشمندان این حوزه به نام رابرت متیوس معتقد است که مانند تمام برآوردهای اندازه گیری شده، تخمین سن متوشالح در معرض خطای سیستماتیک و تصادفی قرار دارد.

به گفته وی این طبیعی است که خطا در نمودارها وجود داشته باشد و این احتمال برخورد با اندازه گیری‌ها از سن کیهان را نشان می‌دهد. به بیان دیگر بهترین برآورد از سن ستاره با سن به دست آمده از کیهان در تناقض است و این موضوع با رساندن نمودارهای خطا به بالاترین حدشان قابل حل خواهد بود.

پس از اینکه تحقیقات دیگری در این خصوص انجام شد، سن متوشالح کمی بیشتر کاهش یافت و برای مثال در سال ۲۰۱۴ مطالعه‌ای انجام شد که نشان می‌داد سن و قدمت این ستاره ۱۴.۲۷ میلیارد سال است. به گفته آقای باند اگر باز هم یک نفر پیدا شود و این عدم قطعیت‌ها را مجددا مورد بررسی قرار دهد، خطا تقریبا ۷۰۰ الی ۸۰۰ میلیون سال است و عملا تضاد و تناقضی از این بابت وجود نخواهد داشت چرا که ۱۳.۸ میلیارد سال دقیقاً درون نمودار احتمال خطا وجود دارد.

کمی بعد و در مه ۲۰۲۱ گروهی دیگر از دانشمندان موفق شدند تا سن متوشالح را اصلاح کنند. روش نوین آنها برای اصلاح سن این ستاره مرموز مدلسازی چگونگی تغییر ستارگان در طول زمان بود و نتیجه گویای این حقیقت بود که متوشالح تنها ۱۲ میلیارد سال سن دارد. البته ناگفته نماند که این تحقیق جدید باز هم نشان می‌دهد که HD140283 قدیمی است ولی تنها مزیتی دارد این است که سن ستاره را کمتر از سن کیهان نشان می‌دهد و معادله را به هم نمی‌ریزد.

سن جهان چقدر است؟

به گفته باند اینکه تلاش کنیم تا به سن متوشالح برسیم دستاورد بزرگ و شگفت انگیزی است که می‌تواند همزمان برای تعیین سن جهان نیز مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع سن متوشالح می‌تواند تصویر درست تری از بیگ بنگ را برایمان به ارمغان بیاورد. به عقیده باند امروزه دیگر مانند گذشته مسئله تعیین سن ستارگان و همخوانی آنها با سن کیهان مطرح نیست. هم اکنون دیگر در دهه ۱۹۹۰ نیستیم که سن یک ستاره را بیشتر از سن کیهان بدانیم و از آن شگفت زده شویم.

باند معتقد است که امروزه با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها می توان ستاره‌هایی را که ۱۸ یا حتی ۲۰ میلیارد سال سن دارند به سن مورد توافقی رساند. متیوس می‌گوید مشکل هنوز باقی است و چیزی حل نشده است. ستاره شناسان حدود دو سال پیش در کنفرانس بین المللی کیهان شناسان برتر در موسسه فیزیک نظری کاولی در سانتا باربارا کالیفرنیا سردرگم شده بودند چرا که سن‌های متفاوتی برای کیهان بدست می‌آوردند.

مطالعه و بررسی این گروه از اخترشناسان نشان می‌داد که بررسی کهکشان‌های نزدیک به این نتیجه ختم می‌شود که جهان چند صد میلیون سال جوان تر از آن چیزی است که می‌دانیم. در واقع احتمالا تابش پس زمینه کیهانی آن طور که باید درست از آب درنیامده است. در سال ۲۰۱۳ میلادی پژوهش‌های جدیدی توسط تلسکوپ فضایی ماکس پلانک اروپا از تابش پس زمینه کیهانی انجام شد و نتایج بدین صورت بود که سن جهان بسیار کمتر از ۱۳.۸ میلیارد سالی است که تخمین زده شده است.

به عقیده این دسته از اخترشناسان جهان تنها ۱۱.۴ میلیارد سال سن دارد و اگر این گفته صحت داشته باشد، باز هم متوشالح یک بار دیگر قدیمی تر و مسن تر از کیهان می‌شود؛ اما این تخمین‌ها تا چقدر درست از آب درخواهند آمد؟ سرپرستی گروه تحقیقات پیرامون این موضوع را آقای آدام ریس، برنده جایزه نوبل و اخترفیزیکدان برجسته از موسسه فضایی بالتیمور مریلند بر عهده داشته است.

نتیجه‌گیری‌های پژوهش‌ها براساس ایده‌ی جهان درحال انبساط است؛ مفهومی که ادویل هابل، اخترشناس آمریکایی در سال ۱۹۲۹ نشان داد. این ایده اساس بیگ بنگ است؛ مدلی که بیان می‌کند زمانی وضعیت اولیه‌ای از چگالی داغ وجود داشت که منفجر و در گذر زمان منبسط شد. بیگ بنگ نقطه‌ی شروعی را نشان می‌دهد که باید قابل اندازه‌گیری باشد؛ اما براساس یافته‌های جدید، سرعت انبساط تقریباً ۱۰ درصد بالاتر از نرخ پیشنهادی پلانک است.

در آن زمان تیم پلانک به این نتیجه گیری رسید که سرعت منبسط شدن کیهان ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک (۳.۲۶ میلیون سال نوری) است ولی کمی بعدتر که اندازه گیری‌ها دقیق تر شد به اعداد جدیدتری رسیدیم. داده‌های جدید نشان می‌دهند که سرعت انبساط جهان هم اکنون ۷۳ یا ۷۴ کیلومتر بر ثانیه است.

آدام ریس توضیح می‌دهد که اختلاف بین آنچه تیم پلانک بدست آورده و چیزی که هم اکنون به آن رسیده‌ایم نشان می‌دهد که اختلاف بین اندازه گیری سرعت انبساط جهان امروزی و پیش بینی میزان سرعت اولیه به لحاظ فیزیکی تفاوت وجود دارد. چنین تفاوتی نشان می‌دهد که همچنان باید نظریه‌های از قبل پذیرفته شده را مورد بررسی مجدد قرار دهیم و همچنین نشان می‌دهد که لازم است تا دانش خود را در زمینه پدیده‌های پنهان و مرموزی مانند ماده و انرژی تاریک ارتقا دهیم.

مقدار بالاتر برای ثابت هابل نشان‌دهنده‌ی سن کمتر برای جهان است. ثابت ۶۷٫۷۴ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک به سن ۱۳٫۸ میلیارد سال منجر خواهد شد؛ درحالی‌که اگر براساس برخی مطالعات این ثابت ۷۳ یا حتی بالاتر درحدود ۷۷ باشد، آنگاه سن جهان بیش از ۱۲٫۷ میلیارد سال نخواهد بود.

در نتیجه آن طور که اندازه گیری‌های جدید نشان می‌دهد، سن متوشالح می‌تواند همچنان از سن کیهان بیشتر باشد. پس از انجام مطالعاتی در سال ۲۰۱۹ اخترشناسان به ثابت ۸۲.۴ رسیدند که باز هم سن جهان را حوالی ۱۱.۴ میلیارد سال نشان می‌داد. با این وجود دانشمندان بی‌صبرانه منتظر عملکرد بهتری از تلسکوپ فضایی جیمز وب هستند تا بلکه بتواند راز خلقت و آغاز حیات را کشف کنند. متیوس معتقد است:

گمان می‌کنم که به‌جای اخترفیزیکدان‌ها، کیهان‌شناسان رصدی چیزی را از قلم انداخته‌اند که پارادوکس ایجاد می‌کند. این بدین دلیل نیست که کیهان‌شناسان بسیار بی‌دقت‌تر هستند؛ بلکه دلیل این است که تعیین سن جهان درمقایسه با ستارگان درمعرض عدم قطعیت‌های رصدی و نظری بیشتر و قطعاً پیچیده‌تر است.
جهان جوان تر از متوشالح است؟

این سوال همچنان باقی است که چه چیزی باعث می‌شود تا کیهان جوان تر از ستاره‌ای قدیمی باشد و به نظر برسد؟ در این خصوص متیوس توضیح می‌دهد:

دو گزینه وجود دارد و تاریخ علم نشان می‌دهد که در چنین مواردی، واقعیت ترکیبی از هر دو است. در این مورد منابعی از خطای رصدی هستند که به‌طور کامل شناخته نشده‌اند. به‌علاوه برخی شکاف‌ها در نظریه‌ی دینامیک جهان وجود دارد، مانند قدرت انرژی تاریک که برای میلیاردها سال محرک اصلی انبساط کیهانی بوده است.
به اعتقاد متیوس آنچه به عنوان پارادوکس سنی از آن یاد می‌شود، می‌تواند بازتاب دهنده اختلافات زمانی در انرژی تاریک و نرخ شتاب باشد. متیوس بر این باور است که امواج گرانشی می توانند این تناقض سنی را حل کنند. بنابراین دانشمندان به جای اینکه روی تابش پس زمینه کیهانی و یا اجرام مجاور نظیر متغیرهای قیفاووسی و ابرنواخترها تمرکز کنند، بیشتر روی امواج بافت فضا-زمان که در نتیجه جفت ستاره‌های مرده ایجاد شده نگاه می‌کنند. (اگر روی روش اولی تمرکز شود سرعت انبساط به ۶۷ کیلومتر و در صورتی که روش دوم باشد، سرعت به ۷۳ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک می‌رسد.)

آنچه کار را سخت می‌کند این است که اندازه گیری امواج گرانشی کار آسانی نیست. امواج گرانشی برای اولین بار در سال ۲۰۱۵ مشاهده شدند اما یکی از اخترفیزیکدان‌های معاصر معتقد است که بشر می‌تواند در دهه بعدی این امواج را به راحتی اندازه گیری کند. هدف این است که داده‌های حاصل از برخورد بین یک جفت ستاره نوترونی را با استفاده از نور مرئی ساطع‌شده از این رویداد جمع‌آوری کنیم تا سرعت حرکت آنها نسبت به زمین را بفهمیم.

دستیابی به این مهم نیازمند این است که همچنان امواج گرانشی برای پی بردن به مسافت مورد تجزیه و تحلیل واقع شوند. این معما می‌تواند بشر را به سمت چیز بزرگ تر و پیچیده تر سوق دهد و ممکن است درک ما را از نحوه عملکرد جهان تغییر دهد. متیوس می‌افزاید:

محتمل‌ترین توضیح برای این پارادوکس، برخی اثرات رصدی نادیده ‌گرفته‌شده و یا چیز بزرگی است که در درک ما از دینامیک انبساط کیهانی از قلم افتاده است. اینکه این «چیز» دقیقاً چیست، قطعاً تا مدت‌ها اخترشناسان را به چالش خواهد کشید.