معمای متوشالح؛ ستاره‌ای که ظاهراً از کیهان قدیمی‌تر است
سال ۲۰۰۰، دانشمندان به داده‌های مربوط به جرمی آسمانی نگاه انداختند که فکر می‌کردند قدیمی‌ترین ستاره در جهان است. آن‌ها ازطریق ماهواره‌ی هیپارکوس آژانس فضایی اروپا مشاهداتی انجام دادند و برآورد کردند که ستاره‌ی HD140283 یا متوشالح قدمت خیره‌کننده‌ی ۱۶ میلیارد سال را دارد.
چنین عددی برای دانشمندان گیج‌کننده بود؛ زیرا سن جهان که براساس مشاهدات از تابش زمینه کیهانی تعیین شده، ۱۳٫۸ میلیارد سال است. بنابراین چگونه یک ستاره می‌تواند قدیمی‌تر از جهان باشد؟ هاوارد باند، اخترشناس در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «این یک تناقض جدی بود.» درنتیجه باند و همکارانش به‌دنبال کشف حقیقت و آزمودن درستی عدد رفتند. نتیجه‌ی پژوهش آن‌ها به همان اندازه گیج‌کننده بود.»
اخترشناسان بیش از صد سال پیش شروع به رصد متوشالح کردند. (متوشالح نام یکی از اساطیر سامی است که گفته می‌شود با ۹۶۹ سال سن، طولانی‌ترین عمر را در بین شخصیت‌های کتاب مقدس داشت.) این ستاره‌ی عجیب در فاصله‌ی تقریباً ۱۹۰ سال نوری از زمین در صورت فلکی ترازو قرار دارد و با سرعت ۱٫۳ میلیون کیلومتر بر ساعت در آسمان حرکت می‌کند.
به وضوح معلوم بود که متوشالح ستاره‌ای باستانی است. این ستاره‌ی زیرغول فقیر از فلز، عمدتا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده و حاوی آهن بسیار کمی است چنین ترکیبی بدان معنا است که ستاره باید زمانی به وجود آمده باشد که هلیوم و هیدروژن، عناصر غالب در جهان بودند و آهن هنوز فراگیر نبود. عناصر سنگین‌تر فقط زمانی پدیدار شدند که ستارگان عظیم آن‌ها را در هسته‌هایشان ایجاد کردند.
آیا متوشالح واقعا می‌تواند بیش از دو میلیارد سال قدیمی‌تر از محیط خود باشد؟ قطعاً چنین چیزی امکان‌پذیر نیست. یا ستاره قدیمی‌تر از جهان است یا جهان به آن اندازه که دانشمندان فکر می‌کنند جوان نیست یا شاید صرفاً سن‌سنجی‌ها به کلی اشتباه است.
بررسی سن متوشالح
نمایی از آسمان پیرامون ستاره‌ی باستانی متوشالح که با عنوان HD140283 مشخص شده است. تصویر در ۷ مارس ۲۰۱۳ منتشر شد.
معمایی به این بزرگی را نمی‌شد نادیده گرفت؛ درنتیجه باند و همکارانش تلاش کردند تا با مطالعه‌ی دقیق ۱۱ مجموعه از مشاهدات ثبت‌شده بین سال‌های ۲۰۰۳ و ۲۰۱۱ از حقیقت پرده بردارند. این مشاهدات به‌وسیله‌ی حسگرهای نازک‌بین راهنمای تلسکوپ فضایی هابل که موقعیت، فاصله و انرژی خروجی ستارگان را تشخیص می‌دهند، انجام شده بود. دانشمندان با به‌دست‌آوردن اندازه‌گیری‌های اختلاف منظر، طیف‌سنجی و نورسنجی می‌توانند سن اجرام را بهتر تعیین کنند.
باند می‌گوید: «یکی از ابهامات در رابطه با سن HD140283، فاصله‌ی دقیق ستاره بود. تعیین فاصله‌ی صحیح مهم است؛ زیرا در این صورت بهتر می‌توانیم درخشندگی و سپس سن آن را تعیین کنیم (هرچه درخشندگی طبیعی بیشتر باشد، ستاره جوان‌تر است.) ما برای تعیین فاصله منتظر اثر اختلاف منظر بودیم؛ به این معنی که ستاره را در فاصله‌ی ۶ ماه رصد می‌کردیم تا به‌دنبال تغییر موقعیت آن دراثر حرکت مداری زمین باشیم.»
باند می‌افزاید 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. درنتیجه آن‌ها روی این ایده کار کردند که هلیوم باقی‌مانده در اعماق بیشتری از هسته منتشر می‌شود و هیدروژن کمتری برای سوختن ازطریق همجوشی هسته‌ای باقی می‌گذارد. با مصرف سریع‌تر سوخت، سن کاهش می‌یابد.
باند می‌گوید: «عامل دیگری که از بین تمام عوامل اهمیت داشت، مقدار اکسیژن موجود در ستاره بود. نسبت اکسیژن به آهن در HD 140283 بالاتر از حد پیش‌بینی بود و ازآنجاکه اکسیژن برای چند میلیون سال در جهان فراوان نبود، این نسبت بالا از سن کمتر ستاره حکایت می‌کرد.»
درنتیجه‌ی پژوهش‌ها، باند و همکارانش سن HD 140283 را ۱۴٫۴۶ میلیارد سال برآورد کردند. عدد جدید به‌طرز چشمگیری کمتر از ۱۶ میلیارد سالی بود که قبلا ادعا می‌شد؛ اما همچنان از سن خود جهان بیشتر بود. از این جهت تلاش باند معما را حل نکرد و آن‌طور که به نظر می‌آید صرفاً تضمین کرد که متوشالح ستاره‌ای رازآلود باقی می‌ماند. بااین‌حال دانشمندان یک عدم قطعیت اضافی ۸۰۰ میلیون ساله ارائه کردند که به گفته‌ی باند، سن ستاره را با سن جهان سازگار می‌کرد. این دستاوردی بزرگ بود.
رابرت متیوس از دانشگاه استون در بیرمنگام بریتانیا می‌گوید: «مانند تمام برآوردهای اندازه‌گیری‌شده، تخمین سن متوشالح درمعرض خطای سیستماتیک و تصادفی قرار دارد. هم‌پوشانی در نمودارهای خطا احتمال برخورد با اندازه‌گیری‌ها از سن کیهان را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، بهترین برآورد از سن ستاره با سن به‌دست‌آمده از جهان [براساس تابش زمینه کیهانی] در تضاد است و این تضاد فقط با رساندن نمودارهای خطا به بالاترین حدشان حل‌شدنی است.»
اصلاحات بعدی موجب شد که سن متوشالح کمی بیشتر کاهش یابد. به‌عنوان مثال، مطالعه‌ای تکمیلی در سال ۲۰۱۴، سن ستاره را به ۱۴٫۲۷ میلیارد سال به‌روزرسانی کرد. باند می‌گوید: «دوباره اگر یک نفر تمام منابع عدم قطعیت را درنظر بگیرد (هم در اندازه‌گیری‌های مشاهده‌ای و هم مدلسازی‌های نظری) خطا تقریباً ۷۰۰ یا ۸۰۰ میلیون سال است و درنتیجه هیچ تضادی وجود ندارد؛ زیرا ۱۳٫۸ میلیارد سال درون نمودار خطای ستاره قرار دارد.»
علاوه‌براین، در مه ۲۰۲۱، گروهی دیگر از اخترشناسان بهترین برآوردها از سن و جرم متوشالح را اصلاح کردند. آن‌ها با مدلسازی چگونگی تغییر ستارگان درطول زمان، دریافتند که سن ستاره باید ۱۲ میلیارد سال باشد. این عدد همچنان نشان می‌دهد که HD 140283 به‌شدت قدیمی است (به‌عنوان مقایسه، خورشید جوان ما فقط ۴٫۶ میلیارد سال سن دارد)؛ اما سن ستاره را به خوبی در محدوده‌ی سن جهان قرار می‌دهد.
بررسی سن جهان
خط سیر جهان براساس نظریه بیگ بنگ و مدل تورم کیهانی.
از یک طرف، باند می‌گوید تلاش‌ها برای تعیین سن متوشالح دستاورد علمی شگفت‌انگیزی است که شواهد بسیار محکمی برای تصویر بیگ بنگ از جهان ارائه می‌دهد. او با نشان مشابهت‌ها بین سن جهان و سن این ستاره‌ی قدیمی نزدیک می‌افزاید مشکل موجود در رابطه با سن قدیمی‌ترین ستارگان شدت کمتری از دهه‌ی ۱۹۹۰ دارد؛ وقتی سن ستارگان به ۱۸ میلیارد سال یا در یک مورد ۲۰ میلیارد سال نزدیک می‌شد. به‌گفته‌ی باند، با درنظرگرفتن عدم قطعیت‌ها در اندازه‌گیری‌ها، سن‌ها اکنون مورد توافق هستند.
از طرف دیگر، متیوس باور دارد که مشکل هنوز حل نشده است. اخترشناسان در ژوئیه‌ی ۲۰۱۹ در کنفرانس بین‌المللی کیهان‌شناسان برتر در مؤسسه فیزیک نظری کاولی در سانتا باربارا کالیفرنیا، از اینکه مطالعات مختلف سن‌های متفاوتی را برای جهان پیشنهاد داده‌اند، سردرگم شده بودند. آن‌ها مشغول بررسی اندازه‌گیری‌ها از کهکشان‌های نسبتاً نزدیکی بودند که نشان می‌دادند جهان صدها میلیون سال جوان‌تر از سن تعیین‌شده به‌وسیله‌ی تابش زمینه کیهانی است.
براساس اندازه‌گیری‌های دقیق تلسکوپ فضایی پلانک اروپا از تابش کیهانی در سال ۲۰۱۳ برآورد شد که جهان ممکن است بسیار کمتر از ۱۳٫۸ میلیارد سال، فقط ۱۱٫۴ میلیارد سال سن داشته باشد. اگر واقعا چنین باشد، پس متوشالح یک بار دیگر قدیمی‌تر از جهان می‌شود؛ اما این برآوردهای مجدد چقدر دقیق هستند؟
یکی از افراد پشت این مطالعات، آدام ریس، اخترفیزیکدان برنده‌ی جایزه‌ی نوبل از مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور مریلند 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.
تیم پلانک بدین نتیجه رسید که سرعت انبساط جهان ۶۷٫۴ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک (۳٫۲۶ میلیون سال نوری) است؛ اما اندازه‌گیری‌های تازه‌تر، مقادیر ۷۳ یا ۷۴ را مطرح کرده‌اند. به‌گفته‌ی ریس، این اختلافات بدان معنی است که بین اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان امروزی و پیش‌بینی میزان سرعت براساس فیزیک جهان اولیه، تفاوت وجود دارد. این تفاوت به ارزیابی مجدد نظریه‌های پذیرفته‌شده منجر می‌شود و درعین‌حال نشان می‌دهد که هنوز باید اطلاعات بسیار بیشتری درباره‌ی پدیده‌های پنهان پشت این معما یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک بیاموزیم.
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.
بااین‌حال همان‌طورکه بیان شد، با وجود درنظرگرفتن اندازه‌گیری‌های جدید، متوشالح می‌تواند همچنان قدیمی‌تر از جهان باشد. همچنین پس از آنکه مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۹ در نشریه‌ی ساینس، ثابت هابل را ۸۲٫۴ پیشنهاد کرد، سن جهان به مراتب پایین‌تر و تنها ۱۱٫۴ میلیارد سال تعیین شد. اخترشناسان امیدوار هستند که تلسکوپ فضایی جیمز وب بتواند این معمای ویژه را حل کند.
متیوس باور دارد که پاسخ‌ها در اصلاحات کیهان‌شناختی بیشتر نهفته است. او به اشاره به اینکه اندازه‌گیری‌ها از ستارگان ممکن است دقیق‌تر باشد، می‌گوید: «گمان می‌کنم که به‌جای اخترفیزیکدان‌ها، کیهان‌شناسان رصدی چیزی را از قلم انداخته‌اند که پارادوکس ایجاد می‌کند.» متیوس می‌افزاید: «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.»
چرا جهان جوان‌تر از متوشالح به‌نظر می‌آید؟
تصویر هنری از شکل‌گیری نخستین ستارگان جهان.
چه چیز می‌تواند موجب شود که جهان بالقوه جوان‌تر از ستاره متوشالح به‌نظر آید؟ متیوس می‌گوید: «دو گزینه وجود دارد و تاریخ علم نشان می‌دهد که در چنین مواردی، واقعیت ترکیبی از هر دو است.» او توضیح می‌دهد «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.»
متیوس این احتمال را پیشنهاد می‌دهد که «پارادوکس سنی» کنونی، بازتاب‌دهنده‌ی اختلافات زمانی در انرژی تاریک و درنتیجه تغییر در نرخ شتاب است. (احتمالی که نظریه‌پردازان دریافته‌اند ممکن است با ایده‌ها درباره‌ی ماهیت بنیادی گرانش، نظیر نظریه‌ی به اصطلاح مجموعه‌های عِلّی سازگار باشد.) به‌گفته‌ی متیوس، پژوهش‌های تازه درباره‌ی امواج گرانشی می‌توانند به حل پارادوکس کمک کنند.
بدین منظور، دانشمندان به‌جای تکیه بر تابش زمینه‌ی کیهانی یا نظارت بر اجرام مجاور نظیر متغیرهای قیفاووسی و ابرنواخترها برای اندازه‌گیری ثابت هابل، به امواج بافت فضا و زمان که به‌وسیله‌ی جفت ستارگان مرده ایجاد شده‌اند، نگاه می‌کنند. (تکیه بر اولی، سرعت ۶۷ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک و دومی ۷۳ را به‌دست می‌دهد.)
بااین‌حال مشکل این است که اندازه‌گیری امواج گرانشی کار ساده‌ای نیست؛ زیرا آن‌ها صرفاً برای نخستین‌بار به‌طور مستقیم در سال ۲۰۱۵ آشکارسازی شدند؛ اما به‌نقل از استیون فینی، اخترفیزیکدان در مؤسسه فلاتیرون در نیویورک، در دهه‌ی بعدی می‌توان به این پیشرفت بزرگ دست پیدا کرد. 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. این کار همچنین مستلزم تجزیه‌وتحلیل امواج گرانشی حاصل برای پی‌بردن به مسافت است. (هردو می‌توانند برای اندازه‌گیری ثابت هابل که باید دقیق‌ترین اندازه‌گیری باشد، ترکیب شوند.)
معمای سن HD 140283 ما را به سمت چیزی بزرگ‌تر و از نظر علمی پیچیده‌تر هدایت می‌کند که درکمان از نحوه‌ی عملکرد جهان را تغییر می‌دهد. متیوس می‌گوید:
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.»