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

متوشالح، ستاره ای که سن بیشتری از هستی دارد و مدت‌هاست 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 190 سال نوری از زمین وجود دارد که به لحاظ سنی بسیار سالخورده‌تر از جهان 13.8 میلیارد ساله است. اما سوال اینجاست که چگونه می‌شود یک جزء از این کل لایتناهی مسن‌تر باشد؟ برای پاسخ این سوال با گجت نیوز همراه باشید.

ماجرای 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 قدیمی‌ترین 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 16 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 می‌دانستند سن جهان بر اساس مشاهدات تابش زمینه کیهانی حدود 13.8 میلیارد سال است. سوال اینجا بود که چگونه می‌شود کیهان 13.8 میلیارد ساله باشد، در حالی که ستاره درون آن 16 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، بلکه آنها را گیج‌تر 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 969 سال سن دارد و در کتاب مقدس طولانی‌ترین عمر را دارد.

ستاره عجیب و غریبی که دانشمندان موفق به رصد آن شده‌اند همان‌طور که گفتیم در فاصله 190 سال نوری از ما و در صورت فلکی ترازو قرار دارد و عرض آسمان را با سرعت 1.3 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 زمانی به وجود آمده که هلیوم و هیدروژن عناصر غالب جهان بوده‌اند. گفتنی است که عناصر سنگین‌تر 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 مهم‌ترینش این باشد که متوشالح واقعا از محیط خود، دو میلیارد سال بزرگتر است؟ پاسخ ابتدایی و اولیه منفی است. احتمال قوی‌تر این است که جهان پیرامون ما 13.8 میلیارد ساله نیست و خیلی بیشتر از این‌ها قدمت دارد. دومین احتمال این است که واقعا ستاره به طرز عجیبی از ظرف خود بزرگتر باشد و سومین احتمال این است که معیارهای سن‌سنجی به کلی اشتباه بوده است.

سن متوشالح چقدر است؟

این که 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 2003 و 2011 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 اندازه‌گیری‌های 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. این که 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 نزدیک‌تر باشد می‌توان درخشندگی و سن آن را بهتر تشخیص داد.

اصولا هر چه ستاره درخشان‌تر باشد، احتمال این که جوان‌تر باشد 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 6 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. آن‌طور که باند می‌گوید نسبت اکسیژن به آهن در HD140283 بیشتر از آن چیزی بود که پیش‌بینی 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 14.46 میلیارد سال تخمین زدند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید این عدد برای سن متوشالح بسیار کمتر از 16 میلیارد سال اولیه بود. البته می‌دانید که 14.46 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 آن، ستاره شناسان و دیگر دانشمندان فرضیه‌ای را مطرح کردند و در طی آن حدود 800 میلیون سال از 14.46 میلیارد سال را کم کردند و این گونه شد که سن ستاره تقریبا 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 اندازه‌گیری 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 اندازه‌گیری‌ها 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 این که تحقیقات دیگری در این خصوص انجام شد، سن متوشالح کمی بیشتر کاهش یافت و برای مثال در سال 2014 مطالعه‌ای انجام شد که نشان می‌داد سن و قدمت این ستاره 14.27 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 700 الی 800 میلیون سال است و عملا تضاد و تناقضی از این بابت وجود نخواهد داشت، چرا که 13.8 میلیارد سال دقیقا درون نمودار احتمال خطا وجود دارد.

کمی بعد و در ماه می 2021 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 12 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، این که تلاش کنیم تا به سن متوشالح برسیم دستاورد بزرگ و شگفت‌انگیزی است که می‌تواند همزمان برای تعیین سن جهان نیز مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع سن متوشالح می‌تواند تصویر درست‌تری 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. هم‌اکنون دیگر در دهه 1990 نیستیم که سن یک ستاره را بیشتر از سن کیهان بدانیم و از آن شگفت‌زده شویم.

باند معتقد است که امروزه با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها می‌توان ستاره‌هایی را که 18 یا حتی 20 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 بین‌المللی کیهان‌شناسان برتر در موسسه فیزیک نظری کاولی در سانتا باربارا کالیفرنیا سردرگم شده بودند، چرا که سن‌های متفاوتی برای کیهان به دست 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 جوان‌تر از آن چیزی است که می‌دانیم. در واقع احتمالا تابش پس زمینه کیهانی آن طور که باید درست از آب درنیامده است. در سال 2013 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 13.8 میلیارد سالی است که تخمین زده شده است.

به عقیده این دسته از اخترشناسان جهان تنها 11.4 میلیارد سال سن دارد و اگر این گفته صحت داشته باشد، باز هم متوشالح یک بار دیگر قدیمی‌تر و مسن‌تر 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 بر اساس 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 بر اساس یافته‌های جدید، سرعت انبساط تقریبا ۱۰ درصد بالاتر از نرخ پیشنهادی پلانک است.

در آن زمان تیم پلانک به این نتیجه‌گیری رسید که سرعت منبسط شدن کیهان 67.4 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک (3.26 میلیون سال نوری) است، ولی کمی بعدتر که اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر شد به اعداد جدیدتری رسیدیم. داده‌های جدید نشان می‌دهند که سرعت انبساط جهان هم‌اکنون 73 یا 74 کیلومتر بر ثانیه است.

آدام ریس توضیح می‌دهد که اختلاف بین آنچه تیم پلانک به دست آورده و چیزی که هم‌اکنون به آن رسیده‌ایم نشان می‌دهد که اختلاف بین اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان امروزی و پیش‌بینی 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 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؛ در حالی که اگر بر اساس برخی مطالعات این ثابت ۷۳ یا حتی بالاتر در حدود ۷۷ باشد، آنگاه سن جهان بیش از ۱۲.۷ میلیارد سال نخواهد بود.

در نتیجه آن‌طور که اندازه‌گیری‌های جدید نشان می‌دهد، سن متوشالح می‌تواند همچنان از سن کیهان بیشتر باشد. پس از انجام مطالعاتی در سال 2019 اخترشناسان به ثابت 82.4 رسیدند که باز هم سن جهان را حوالی 11.4 میلیارد سال نشان می‌داد. با این وجود دانشمندان بی‌صبرانه منتظر عملکرد بهتری از تلسکوپ فضایی جیمز وب هستند تا بلکه بتوانند راز خلقت و آغاز حیات را کشف کنند. متیوس معتقد است:

گمان می‌کنم که به جای 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 در مقایسه با ستارگان در معرض عدم قطعیت‌های رصدی و نظری بیشتر و قطعا پیچیده‌تر است.

جهان جوان تر از متوشالح است؟

این سوال همچنان باقی است که چه چیزی باعث می‌شود تا کیهان جوان‌تر 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 به طور کامل شناخته نشده‌اند. به علاوه 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 این که روی تابش پس زمینه کیهانی 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 67 کیلومتر و در صورتی که تمرکز روی روش دوم باشد، سرعت به 73 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک می‌رسد.

آنچه کار را سخت می‌کند این است که اندازه‌گیری امواج گرانشی کار آسانی نیست. امواج گرانشی برای اولین بار در سال 2015 مشاهده شدند، اما یکی از اخترفیزیکدان‌های معاصر معتقد است که بشر می‌تواند در دهه بعدی این امواج را به راحتی اندازه‌گیری 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 بزرگ‌تر و پیچیده‌تر سوق دهد و ممکن است درک ما را از نحوه عملکرد جهان تغییر دهد. متیوس می‌افزاید:

محتمل‌ترین توضیح برای این پارادوکس، برخی آثار رصدی نادیده ‌گرفته شده یا چیز بزرگی است که در درک ما از دینامیک انبساط کیهانی از قلم افتاده است. این که این «چیز» دقیقا چیست، قطعا تا مدت‌ها اخترشناسان را به چالش خواهد کشید.