¿Cómo puede una estrella ser más antigua que el universo? | Espacio

Durante más de 100 años, los astrónomos han estado observando una curiosa estrella ubicada a unos 190 años luz de la Tierra en la constelación de Libra. Viaja rápidamente a través del cielo a 800.000 mph (1,3 millones de kilómetros por hora). Pero más interesante que eso, HD 140283, o Matusalén como se le conoce comúnmente, es también una de las estrellas conocidas más antiguas del universo.

En 2000, los científicos buscaron fechar la estrella utilizando observaciones a través del satélite Hipparcos de la Agencia Espacial Europea (ESA), que estimó una edad de 16 mil millones de años. Tal cifra era bastante alucinante y también bastante desconcertante. Como señaló el astrónomo Howard Bond de la Universidad Estatal de Pensilvania, la edad del universo, determinada a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, tiene 13.800 millones de años. "Fue una discrepancia seria", dijo.

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Tomada al pie de la letra, la edad prevista de la estrella planteó un problema importante. ¿Cómo podría una estrella ser más antigua que el universo? O, a la inversa, ¿cómo podría el universo ser más joven? Ciertamente estaba claro que Matusalén, nombrado en referencia a un patriarca bíblico que se dice que murió a los 969 años, lo que lo convierte en la figura más longeva de todas las figuras de la Biblia, era viejo, ya que el subgigante pobre en metales está hecho predominantemente de hidrógeno. y helio y contiene muy poco hierro. Su composición significa que la estrella debe haber surgido antes de que el hierro se convirtiera en algo común.

Pero, ¿más de dos mil millones de años más que su entorno? Seguramente eso no es posible.

Echando un vistazo más de cerca a la era de Matusalén

Bond y sus colegas se propusieron la tarea de averiguar si esa cifra inicial de 16 mil millones era exacta o no. Estudiaron más de 11 conjuntos de observaciones que habían sido registradas entre 2003 y 2011 por los Sensores de Guía Fina del Telescopio Espacial Hubble, que toman nota de las posiciones, distancias y producción de energía de las estrellas. Al adquirir mediciones de paralaje, espectroscopia y fotometría, se podría determinar un mejor sentido de la edad.

"Una de las incertidumbres con la edad de HD 140283 fue la distancia precisa de la estrella", dijo Bond a All About Space. "Era importante hacerlo bien porque podemos determinar mejor su luminosidad y, a partir de ahí, su edad: cuanto más brillante es la luminosidad intrínseca, más joven es la estrella. Estábamos buscando el efecto de paralaje, lo que significaba que estábamos viendo la estrella seis meses". aparte para buscar el cambio en su posición debido al movimiento orbital de la Tierra, que nos indica la distancia ".

También hubo incertidumbres en el modelado teórico de las estrellas, como las tasas exactas de reacciones nucleares en el núcleo y la importancia de los elementos que se difunden hacia abajo en las capas externas, dijo. Trabajaron en la idea de que el helio sobrante se difunde más profundamente en el núcleo, dejando menos hidrógeno para quemar a través de la fusión nuclear. Con el combustible usado más rápido, la edad se reduce.

Esta es una vista del patio trasero del cielo que rodea a la antigua estrella de Matusalén, catalogada como HD 140283. Imagen publicada el 7 de marzo de 2013. (Crédito de la imagen: A. Fujii y Z. Levay (STScI))

"Otro factor que fue importante fue, de todas las cosas, la cantidad de oxígeno en la estrella", dijo Bond. HD 140283 tenía una relación de oxígeno a hierro más alta de lo previsto y, dado que el oxígeno no fue abundante en el universo durante unos pocos millones de años, apuntaba nuevamente a una edad más baja para la estrella.

Bond y sus colaboradores estimaron que la edad de HD 140283 era de 14,46 mil millones de años, una reducción significativa de los 16 mil millones previamente declarados. Sin embargo, esa era aún más que la edad del universo en sí, pero los científicos plantearon una incertidumbre residual de 800 millones de años, que Bond dijo que hacía que la edad de la estrella fuera compatible con la edad del universo, aunque no era del todo perfecto. .

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"Como todas las estimaciones medidas, está sujeta a errores tanto aleatorios como sistemáticos", dijo el físico Robert Matthews de la Universidad de Aston en Birmingham, Reino Unido, que no participó en el estudio. "La superposición en las barras de error da alguna indicación de la probabilidad de un choque con las determinaciones de la edad cosmológica", dijo Matthews. "En otras palabras, la edad de la estrella mejor soportada está en conflicto con la edad derivada del universo [según lo determinado por el fondo cósmico de microondas], y el conflicto solo puede resolverse empujando las barras de error a sus límites extremos . "

Más refinamientos hicieron que la edad de HD 140283 cayera un poco más. Un estudio de seguimiento de 2014 actualizó la edad de la estrella a 14,27 mil millones de años. "La conclusión a la que se llegó fue que la edad es de unos 14.000 millones de años y, de nuevo, si se incluyen todas las fuentes de incertidumbre, tanto en las mediciones observacionales como en el modelado teórico, el error es de unos 700 u 800 millones de años, por lo que no hay conflicto. porque 13.800 millones de años se encuentran dentro de la barra de error de la estrella ", dijo Bond.

Este gráfico muestra una línea de tiempo del universo basada en la teoría del Big Bang y los modelos de inflación. (Crédito de la imagen: NASA / WMAP)

Echando un vistazo más de cerca a la edad del universo

Para Bond, las similitudes entre la edad del universo y la de esta vieja estrella cercana, ambas determinadas por diferentes métodos de análisis, es "un logro científico asombroso que proporciona una evidencia muy sólida de la imagen del universo del Big Bang. ". Dijo que el problema con la edad de las estrellas más antiguas es mucho menos severo que en la década de 1990, cuando las edades estelares se acercaban a los 18 mil millones de años o, en un caso, a los 20 mil millones de años. "Con las incertidumbres de las determinaciones, las edades ahora están de acuerdo", dijo Bond.

Sin embargo, Matthews cree que el problema aún no se ha resuelto. Los astrónomos en una conferencia internacional de los mejores cosmólogos en el Instituto Kavli de Física Teórica en Santa Bárbara, California, en julio de 2019, estaban desconcertados por estudios que sugerían diferentes edades para el universo. Estaban observando mediciones de galaxias que están relativamente cercanas, lo que sugiere que el universo es más joven en cientos de millones de años en comparación con la edad determinada por el fondo cósmico de microondas.

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De hecho, lejos de tener 13.800 millones de años, según lo estimado por las mediciones detalladas de radiación cósmica del telescopio espacial europeo Planck en 2013, el universo puede tener tan solo 11.400 millones de años. Uno de los que están detrás de los estudios es el premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland.

Las conclusiones se basan en la idea de un universo en expansión, como lo mostró Edwin Hubble en 1929. Esto es fundamental para el Big Bang: la comprensión de que una vez hubo un estado de densidad caliente que explotó y expandió el espacio. Indica un punto de partida que debería ser medible, pero los nuevos hallazgos sugieren que la tasa de expansión es en realidad alrededor de un 10% más alta que la sugerida por Planck.

De hecho, el equipo de Planck determinó que la tasa de expansión era de 67,4 km por segundo por megaparsec, pero las mediciones más recientes tomadas de la tasa de expansión del universo apuntan a valores de 73 o 74. Eso significa que hay una diferencia entre la medición de qué tan rápido el universo se está expandiendo hoy y las predicciones de qué tan rápido debería expandirse se basan en la física del universo temprano, dijo Riess. Está conduciendo a una reevaluación de las teorías aceptadas, al tiempo que muestra que todavía hay mucho que aprender sobre la materia oscura y la energía oscura, que se cree que están detrás de este acertijo.

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Un valor más alto para la constante de Hubble indica una edad más corta para el universo. Una constante de 67,74 km por segundo por megaparsec daría lugar a una edad de 13,8 mil millones de años, mientras que una de 73, o incluso tan alta como 77 como han demostrado algunos estudios, indicaría una edad del universo no mayor de 12,7 mil millones de años. Es un desajuste que sugiere, una vez más, que HD 140283 es ​​más antiguo que el universo. Desde entonces, también ha sido reemplazado por un estudio de 2019 publicado en la revista Science que propuso una constante de Hubble de 82,4, lo que sugiere que la edad del universo es de solo 11,4 mil millones de años.

Matthews cree que las respuestas se encuentran en un mayor refinamiento cosmológico. "Sospecho que los cosmólogos observacionales han pasado por alto algo que crea esta paradoja, en lugar de los astrofísicos estelares", dijo, señalando que las medidas de las estrellas son quizás más precisas. "Eso no se debe a que los cosmólogos sean más descuidados, sino a que la determinación de la edad del universo está sujeta a incertidumbres observacionales y teóricas más y posiblemente más complicadas que las de las estrellas".

Una visualización de la formación de las primeras estrellas (Crédito de la imagen: Wise, Abel, Kaehler (KIPAC / SLAC))

Entonces, ¿cómo resolverán los científicos esto?

Pero, ¿qué podría hacer que el universo parezca potencialmente más joven que esta estrella en particular?

"Hay dos opciones, y la historia de la ciencia sugiere que en tales casos la realidad es una combinación de ambas", dijo Matthews. En este caso, serían fuentes de error de observación que no se han entendido completamente, además de algunas lagunas en la teoría de la dinámica del universo, como la fuerza de la energía oscura, que ha sido el principal impulsor de la expansión cósmica. desde hace muchos miles de millones de años ".

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Sugiere la posibilidad de que la actual "paradoja de la edad" refleje la variación en el tiempo de la energía oscura y, por tanto, un cambio en la tasa de aceleración, una posibilidad que los teóricos han descubierto podría ser compatible con ideas sobre la naturaleza fundamental de la gravedad, como la llamada teoría de conjuntos causales. Una nueva investigación sobre ondas gravitacionales podría ayudar a resolver la paradoja, dijo Matthews.

Para hacer esto, los científicos observarían las ondas en la estructura del espacio y el tiempo creadas por pares de estrellas muertas, en lugar de depender del fondo cósmico de microondas o el monitoreo de objetos cercanos como las variables cefeidas y las supernovas para medir la constante de Hubble. el primero resulta en una velocidad de 67 km por segundo por megaparsec y el segundo en 73.

El problema es que medir las ondas gravitacionales no es una tarea fácil, dado que solo se detectaron directamente por primera vez en 2015. Pero según Stephen Feeney, astrofísico del Instituto Flatiron en Nueva York, se podría lograr un gran avance en el transcurso de la investigación. la próxima década. La idea es recopilar datos de colisiones entre pares de estrellas de neutrones utilizando la luz visible que emiten estos eventos para determinar la velocidad a la que se mueven en relación con la Tierra. También implica analizar las ondas gravitacionales resultantes para tener una idea de la distancia, las cuales pueden combinarse para dar una medida de la Constante de Hubble que debería ser la más precisa hasta el momento.

El misterio de la edad de HD 140283 está conduciendo a algo más grande y científicamente complejo, alterando la comprensión de cómo funciona el universo.

"Las explicaciones más probables para la paradoja son algún efecto de observación pasado por alto y / o algo grande que falta en nuestra comprensión de la dinámica de la expansión cósmica", dijo Matthews. Precisamente qué es ese "algo" seguramente mantendrá a los astrónomos desafiados durante algún tiempo.

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