Hoe kan een ster ouder zijn dan het heelal?

Methusalem in Libra
De locatie van Methusalem (HD140283) in het sterrenbeeld Libra – Weegschaal. Credit: Kuuke’s Sterrenbeelden/Cartes du Ciel

Als het heelal 13,8 miljard jaar oud is hoe kan een ster dan meer dan 14 miljard jaar oud zijn?

Al meer dan 10 jaar nemen astronomen een vreemde ster waar in het sterrenbeeld Weegschaal – Libra. Deze ster is ongeveer 190 lichtjaar van ons verwijderd. De ster beweegt met een snelheid van 1,3 miljoen kilometer per uur door ons sterrenstelsel heen. Dat is niet het enige vreemde aan de ster HD 140283. Het is ook een van de oudste bekende sterren in het heelal. De ster heeft daarom ook als bijnaam Methusalem.

In 2000 gebruikten astronomen de data van de Hipparcos ruimtesonde van de ESA om de leeftijd van de ster te bepalen. Ze kwamen uit op een leeftijd van 16 miljard jaar. Dat was een nogal vreemd getal want op basis van de kosmische achtergrondstraling had men de leeftijd van het heelal op 13,8 miljard jaar bepaald. Nogal een groot verschil.

De berekende leeftijd van de ster zorgde dus voor een groot probleem. Hoe kan een ster nu ouder zijn dan het heelal? Of, omgedraaid, hoe kon het heelal nu jonger zijn dan de ster? Het was wel duidelijk dat Methusalem, vernoemd naar een Bijbelse bisschop waarvan wordt gezegd dat hij 969 jaar is geworden, een oude, metaalarme ster is die hoofdzakelijk uit waterstof en helium bestaat en die maar heel weinig ijzer bevat. Die samenstelling betekende dat de ster moest zijn ontstaan voordat ijzer een algemeen element in het heelal werd. Maar twee miljard jaar ouder dan zijn omgeving? Nee, dat is niet mogelijk.

De leeftijd van Methusalem nader bekeken

Onderzoekers bekeken opnieuw of de eerder berekende leeftijd van 16 miljard jaar wel nauwkeurig was. Ze gebruikten 11 datasets die tussen 2003 en 2011 met behulp van de Fine Guidance Sensors van de Hubble Space Telescope waren verzameld. Deze sensoren bepalen posities, afstanden en energieproductie van sterren. Daarnaast werden er parallaxmetingen, spectroscopische en fotometrische waarnemingen gedaan om de leeftijd van de ster beter te kunnen bepalen.

Een van de onzekerheden met betrekking tot de leeftijd van HD 140283 was de exacte afstand van de ster. Het is belangrijk deze goed te kennen want dan kan ook veel beter de lichtkracht van de ster worden berekend. Uit de lichtkracht kan dan de leeftijd worden bepaald. Hoe helderder de intrinsieke lichtkracht, hoe jonger de ster is. Ook werd er gekeken naar het parallaxeffect. Gedurende zes maanden werd de verandering van de positie van de ster die wordt veroorzaakt door de beweging van de Aarde om de Zon gemeten. Hieruit kan de afstand worden berekend.

Er waren ook onzekerheden in de theoretische modellen van sterren. Bijvoorbeeld over de snelheid van de kernreacties in de kern en het belang van de elementen die diffunderen in de buitenste lagen. Ze werkten aan het idee dat resterende helium dieper in de kern diffundeert waardoor er minder waterstof achterblijft die via kernfusie kan “branden”. Als brandstof sneller wordt gebruikt dan daalt de leeftijd van de ster.

Een andere belangrijke factor was de hoeveelheid zuurstof in de ster. HD 140283 had een hoger dan voorspelde verhouding zuurstof – ijzer en omdat zuurstof in het jonge heelal niet veel voorkwam wees ook dit op een lagere leeftijd voor de ster.

De onderzoekers berekenden aan de hand van hun gegevens de leeftijd van HD 140283 op 14,46 miljard jaar. Dat is een forse afname van de eerder berekende 16 miljard jaar maar nog steeds meer dan de leeftijd van het heelal. Maar, zeggen de onderzoekers, er met rekening worden gehouden met een onzekerheid in de berekeningen van 800 miljoen jaar. Ofschoon nog verre van perfect wordt met die onzekerheid de leeftijd van de ster wel verenigbaar met de leeftijd van het heelal.

Net zoals alle gemeten schattingen is ook deze onderhevig aan zowel willekeurige als systematische fouten. De overlappingen in de foutenmarges geeft een indicatie van de waarschijnlijkheid van een conflict met de kosmische leeftijdsbepalingen. Met andere woorden, de beste ondersteunde leeftijd van de ster is in strijd met de van de kosmische achtergrondstraling afgeleide leeftijd van het heelal en dat conflict kan alleen worden opgelost door de overlapping in de foutenmarges tot de uiterste limiet op te rekken.

Verdere verbeteringen lieten de leeftijd van HD 140283 een beetje verder zakken. In een vervolgstudie uit 2014 werd de leeftijd van de ster bepaald op 14,27 miljard jaar.  Toen werd geconcludeerd dat de leeftijd van de ster ongeveer 14 miljard jaar was en dat, rekening houdende met alle bronnen van onzekerheden in zowel de waarnemingen als de theoretische modellen, de fout ongeveer 700 tot 800 miljoen jaar is en dan is er ook geen conflict met de leeftijd van het heelal van 13,8 miljard jaar omdat die in de foutmarge van de ster ligt.

Tijdslijn ontstaan van het heelal
Deze afbeelding toont een tijdslijn van het heelal gebaseerd op de Oerknal in de inflatiemodellen. (Image credit: NASA/WMAP)

De leeftijd van het heelal nader bekeken

Voor Bond is de overeenkomst tussen de leeftijd van het universum en die van deze oude nabijgelegen ster – die beide zijn bepaald door verschillende analysemethoden – “een verbazingwekkende wetenschappelijke prestatie die zeer sterk bewijs levert voor het Big Bang beeld van het universum”. Hij zei dat het probleem met de leeftijd van de oudste sterren veel minder ernstig is dan in de jaren negentig van de vorige eeuw, toen de stellaire leeftijden 18 miljard jaar of, in één geval, 20 miljard jaar naderen. “Met de onzekerheden van de bepalingen, zijn de leeftijden het nu met elkaar eens,” zei Bond.

Maar andere astronomen denken dat het probleem nog lang niet opgelost is. Tijdens een internationaal congres in 2015 bogen top kosmologen zich over het feit dat verschillende studies ook verschillende leeftijden voor het heelal opleverden. Ze keken naar metingen van nabije sterrenstelsels en die suggereerden dat het heelal honderden miljoenen jaren jonger is dan metingen van de leeftijd van het heelal aan de hand van de kosmische achtergrondstraling.

Ze werd uit metingen van kosmische straling die in 2013 door de Europese Planck ruimtetelescoop  waren gedaan, berekend dat het heelal wel eens veel jonger zou kunnen zijn namelijk slechts 11,4 miljard jaar.

De conclusies zijn gebaseerd op het idee van het uitdijende heelal zoals dat in 1929 voor Edwin Hubble werd aangetoond. Dit is van fundamenteel belang voor de Oerknal: het begrip dat er ooit een staat van hete dichtheid was die in de ruimte explodeerde en zich uitstrekte. Dit betekent dat er een startpunt moet zijn dat meetbaar zou moeten zijn, maar nieuwe bevindingen suggereren dat de uitdijingssnelheid in feite ongeveer 10% hoger is dan de uitdijingssnelheid die m.b.v. de Planck ruimtetelescoop werd bepaald.

Het Planck-team berekende een uitdijingssnelheid van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec maar meer recente metingen komen op uitdijingssnelheden van 73 of 73 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat er een verschil is tussen de metingen van hoe snel het heelal tegenwoordig uitdijt en de voorspellingen van hoe snel het zou moeten uitdijen uitgaande van de natuurkunde van het vroege heelal. Het leidt tot een heroverweging van geaccepteerde theorieën en het laat ons ook zien dat we nog heel veel moeten leren over donkere materie en donkere energie, waarvan wordt gedacht dat ze achter dit raadsel zitten.

Een grotere waarde voor de Hubble constante duidt op een kleinere leeftijd van het heelal. Een constante van 67,74 kilometer per seconde per megaparsec zou leiden tot een leeftijd van 13,8 miljard jaar maar een waarde van 73 of zelfs 77 zoals sommige studies zeggen, leidt tot een heelal dat niet ouder is dan 12,7 miljard jaar. Deze discrepantie suggereert opnieuw dat HD 140283 ouder is dan het heelal. In een studie die in 2019 in het tijdschrift Science verscheen stellen onderzoekers dat de waarde van de Hubble constante 82,4 is en dat leidt dan tot een heelal dat slechts 11,4 miljard jaar oud is.

Astronomen denken dat de antwoorden liggen in meer kosmologische verfijning. Ze vermoeden dat de observationele kosmologen iets gemist hebben dat deze paradox creëert, in plaats van de stellaire astrofysici. Ze wijzen op het feit dat de metingen van de sterren misschien nauwkeuriger zijn. Dat is niet omdat de kosmologen op de een of andere manier slordiger zijn, maar omdat de leeftijdsbepaling van het heelal aan meer en aantoonbaar lastiger waarnemingen en theoretische onzekerheden onderhevig is dan die van sterren.

Dus, hoe komen wetenschappers hier achter?

Wat kan er voor zorgen dat het heelal potentieel jonger lijkt dan deze ene ster?

Er zijn twee opties, en de geschiedenis van de wetenschap suggereert dat in dergelijke gevallen de waarheid een mix van beide kan zijn. In dit geval zouden er fouten in de waarnemingen kunnen zitten die nog niet volledig worden begrepen. Daarnaast zijn er mogelijk hiaten in de theorie over de dynamica van het heelal, zoals de sterkte van donkere energie. De donkere energie is al miljarden jaren de drijvende kracht achter de uitdijing van het heelal.

Men suggereert de mogelijkheid dat de huidige “leeftijdsparadox” de tijdsvariatie in donkere energie weerspiegelt, en dus een verandering in de uitdijingssnelheid – een mogelijkheid die theoretici hebben gevonden die verenigbaar zou kunnen zijn met ideeën over de fundamentele aard van de zwaartekracht, zoals de zogenaamde causale set-theorie. Nieuw onderzoek naar gravitatiegolven zou kunnen helpen om de paradox op te lossen.

Om dit te doen, zouden wetenschappers kunnen kijken naar de rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd die door paren dode sterren worden gecreëerd, in plaats van te vertrouwen op de kosmische microgolfachtergrond of de monitoring van nabijgelegen objecten zoals Cepheïden en supernovae om de Hubble Constante te meten – de eerste resulteert in een snelheid van 67 km per seconde per megaparsec en de tweede in 73.

Het probleem is dat het meten van gravitatiegolven geen eenvoudige taak is, omdat ze pas in 2015 voor het eerst direct werden gedetecteerd. Maar volgens Stephen Feeney, een astrofysicus van het Flatiron Institute in New York, zou er in de loop van het volgende decennium een doorbraak kunnen komen. Het idee is om gegevens te verzamelen over botsingen tussen neutronensterren met behulp van het zichtbare licht dat deze gebeurtenissen uitzenden om zo te achterhalen hoe snel ze zich ten opzichte van de Aarde bewegen. Het houdt ook in dat de resulterende gravitatiegolven worden geanalyseerd om een idee te krijgen van de afstand – die beiden kunnen worden gecombineerd om een meting van de Hubble Constante te verkrijgen die tot nu toe het nauwkeurigst zou moeten zijn.

De meest waarschijnlijke verklaring voor de paradox is dat er een aantal vergeten waarnemingseffecten zijn en/of dat er iets groots ontbreekt in ons begrip van de dynamiek van de kosmische expansie. Wat dat “iets” precies is, houdt de astronomen ongetwijfeld nog enige tijd in vraag.

 

Eerste publicatie: 6 november 2019




%d bloggers liken dit: