你怎麼比宇宙還要老!嚴重超齡的恆星之謎

  • 文/林祉均 就讀清大物理系的斜槓理工男,喜歡學習與嘗試新事物。目前對科學和翻譯有點上癮,看到 Netflix 上奇怪的字幕翻譯會皺眉頭。

瑪土撒拉 (Methuselah) 是聖經故事中最長壽的人,享壽 969 歲,堪稱世界級人瑞;瑪土撒拉同時也是宇宙中最老的星星,在 HD 星表中的編號是「HD 140283」。根據歐洲太空總署的觀測,它已經高齡 160 億歲了。

正如一般的高齡恆星,瑪土撒拉主要由氫氣與氦氣組成,缺乏金屬成分,因為較重的金屬元素在早期宇宙中非常少見。

在此為各位觀眾隆重介紹,宇宙中最老的星星──瑪土撒拉。圖/© Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

不過,先等一下。

修但幾勒,好像有哪裡怪怪的!圖/Meme 梗圖倉庫

你現在可以回去翻翻高中課本,上面應該會寫到:「目前推測宇宙年齡約 140 億年。」但是,這根本就不合理啊!宇宙裡的星星怎麼可能比宇宙本身還要老呢?難道它在大爆炸之前就已經存在了?

年齡不是問題,先告訴我距離

瑪土撒拉 (HD 140283) 位於紅色十字處。圖/A. Fujii and Z. Levay (STScI)

要釐清這個謎團,必須先知道恆星的年齡該如何判定。年齡判斷守則第一條:確認距離才能決定年齡。

我們都知道,越年輕的恆星越明亮,但遙遠的恆星從地球上看起來會比較暗。掌握恆星跟地球之間的距離,才能回推恆星實際上發出的光芒強度,並進一步得知恆星年齡。

可是,距離的測量並非易事。

當你在高速公路上往車窗外看,較遙遠的山脈或高樓會以相對緩慢的速度後退。同樣的道理,當地球在繞日軌道上公轉,你也能看到遙遠的星體悄悄地移動。

理論上,由於我們已經清楚繞日軌道的大小,因此只要比較某顆星在不同晚上的位置變化,就能推算出它跟地球的距離。然而,大部分恆星距離我們實在太遠,移動的幅度往往極為微小,因此這項測量實際上並不容易。

時隔半年,地球公轉到太陽的另一側,可觀測到恆星在不同的位置。理論上,我們能從恆星移動的距離推知它與地球的距離。圖/NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

賓州大學的天文學家 Howard Bond 和研究團隊重新檢視哈伯太空望遠鏡在 2003 到 2011 年間的觀測數據,想要參透這顆恆星的年齡之謎。

Bond 提到:「HD 140283 的精確距離是推算年齡時的不確定因素之一。」而除了距離之外,他們也重新考慮恆星核融合的理論模型。團隊假設外層的氦氣會向中心擴散,導致可作為燃料的氫氣減少。如此一來,恆星融合並老化的速度更快,反推回去的年齡應該要更小。他們也發現 HD 140283 中的氧氣量高出預期,而氧元素要在大爆炸後幾百萬年才出現,這個線索再度顯示了恆星應該比原先的預估要來得年輕。

他們最終在 2014 年估計 HD 140283 的真實年齡大約是 142.7 億年,誤差正負 8 億年。也就是說,就算已經重新考慮了那麼多因素,還是得有頗大的測量誤差才能讓這顆恆星低於宇宙年齡。

那麼反過來想,會不會 138 億年這個數字也該被重新檢視一下?

宇宙到底有多老?答案原來會不斷變動

宇宙到底有多老?這個問題的答案其實隨著最新的觀測而不斷變動。藉由觀測大爆炸殘留下來的熱輻射,可以回推宇宙膨脹的程度,以及相對應的年齡。普朗克太空望遠鏡在 2013 年利用這種方法,得出了 138 億年,也就是我們目前熟知的標準答案。

天文物理學家哈伯曾在 1929 年提出「宇宙膨脹說」,並宣稱我們在宇宙中的鄰居們正持續地遠離地球,速度正比於其與地球的距離。因此,另一種幫宇宙測齡的方法,就是透過星體的距離和遠離地球的速度,來推算大爆炸的時間點。近期的觀測結果指出:宇宙的年齡大約 127 億年,另一則研究得到的結果則僅僅只有 114 億年。這或許表示我們目前對早期宇宙和膨脹理論的了解仍不夠完備,而許多科學家認為可能是暗物質或暗能量在其中搞鬼。

不過別的先不談。我們的難題還是懸而未決,HD 140283依舊嚴重「超齡」,而且現在情況似乎更不樂觀。

年齡之謎難道無解?等重力波為我們解答吧!

究竟是觀測有誤差,導致 HD 140283 年齡被高估;還是宇宙學理論尚未完整,宇宙其實比想像中更老?

「過往科學發展的經驗告訴我們,應該是兩者皆有」,英國阿斯頓大學的物理學家 Robert Matthews 提供了他的預測。他認為,暗能量的強度隨著時間而有所消長,膨脹速度也因此忽快忽慢。要驗證這個理論,可能需要重力波的幫忙。

所謂重力波,是兩個巨大的質量互相繞行所產生的時空漣漪,從它的頻率能夠計算出兩個質量的大小,以及撞擊將釋放的能量多寡。當重力波橫跨遙遠的宇宙,這股能量會隨著距離衰減。於是我們便可以從地球上觀測到的重力波能量,反推出重力波源和我們的距離。

只要有距離和速度,就能建構哈伯定律,推論出宇宙的年齡。速度的部分可以交給可見光。我們知道消防車的警笛聲在駛離時會逐漸「降 key」,而光線也是一樣的道理。當光源遠離我們,波長會被拉長,顏色會偏向紅色,其程度和光源的速度有關。因此,利用撞擊發出的可見光,便能推測星體遠離我們的速度。

宇宙初期恆星形成的概念圖示。圖/Wise, Abel, Kaehler (KIPAC/SLAC))

儘管愛因斯坦的廣義相對論中早已預測重力波的存在,它卻一直到 2015 年才首次現形,顯示其觀測的困難。不過,在未來的幾年內,科學家計畫觀測兩顆中子星的撞擊,有機會在重力波觀測上獲得重大的突破。屆時可能會讓科學家對哈伯定律和宇宙的年齡有全新的看法。

如此看來,「超齡星星」的謎團大概還會讓天文學家再頭痛一陣子,不過也有望為觀測技術和宇宙學理論帶來嶄新的發展。

參考資料:

關於作者

林祉均

清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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