Como uma estrela pode ser mais velha que o universo? | Espaço

Por mais de 100 anos, os astrônomos têm observado uma curiosa estrela localizada a cerca de 190 anos-luz de distância da Terra, na constelação de Libra. Ele viaja rapidamente pelo céu a 800.000 mph (1,3 milhão de quilômetros por hora). Mas mais interessante do que isso, HD 140283 - ou Matusalém como é comumente conhecido - também é uma das estrelas conhecidas mais antigas do universo.

Em 2000, os cientistas procuraram datar a estrela usando observações via satélite Hipparcos da Agência Espacial Européia (ESA), que estimou uma idade de 16 bilhões de anos. Tal figura era bastante alucinante e também bastante desconcertante. Como apontou o astrônomo Howard Bond, da Universidade Estadual da Pensilvânia, a idade do universo - determinada a partir de observações da radiação cósmica de fundo - é de 13,8 bilhões de anos. "Foi uma discrepância séria", disse ele.

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Levando em consideração o valor de face, a idade prevista para a estrela gerou um grande problema. Como uma estrela pode ser mais velha que o universo? Ou, ao contrário, como o universo poderia ser mais jovem? Estava claro que Matusalém - nomeado em referência a um patriarca bíblico que teria morrido aos 969 anos, tornando-o o mais longevo de todas as figuras da Bíblia - era velho, já que o subgigante pobre em metal é predominantemente feito de hidrogênio e hélio e contém muito pouco ferro. Sua composição significa que a estrela deve ter surgido antes que o ferro se tornasse comum.

Mas mais de dois bilhões de anos mais velho que seu ambiente? Certamente isso não é possível.

Olhando mais de perto a era de Matusalém

Bond e seus colegas se comprometeram a descobrir se aquele número inicial de 16 bilhões era exato ou não. Eles analisaram 11 conjuntos de observações que foram registradas entre 2003 e 2011 pelos Sensores de Orientação Fina do Telescópio Espacial Hubble, que anotam as posições, distâncias e produção de energia das estrelas. Ao adquirir medições de paralaxe, espectroscopia e fotometria, um melhor senso de idade pode ser determinado.

"Uma das incertezas com a idade do HD 140283 era a distância precisa da estrela", disse Bond ao All About Space. "Foi importante acertar porque podemos determinar melhor sua luminosidade e, a partir disso, sua idade - quanto mais brilhante a luminosidade intrínseca, mais jovem a estrela. Estávamos procurando o efeito de paralaxe, o que significava que estávamos vendo a estrela por seis meses além de procurar a mudança em sua posição devido ao movimento orbital da Terra, que nos indica a distância. "

Também havia incertezas na modelagem teórica das estrelas, como as taxas exatas das reações nucleares no núcleo e a importância da difusão dos elementos para baixo nas camadas externas, disse ele. Eles trabalharam na ideia de que o hélio restante se difunde mais profundamente no núcleo, deixando menos hidrogênio para queimar por meio da fusão nuclear. Com o combustível usado mais rápido, a idade é reduzida.

Esta é uma vista do quintal do céu em torno da antiga estrela Matusalém, catalogada como HD 140283. Imagem lançada em 7 de março de 2013. (Crédito da imagem: A. Fujii e Z. Levay (STScI))

"Outro fator importante era, de todas as coisas, a quantidade de oxigênio na estrela", disse Bond. HD 140283 tinha uma proporção de oxigênio para ferro maior do que o previsto e, uma vez que o oxigênio não era abundante no universo por alguns milhões de anos, apontou novamente para uma idade inferior para a estrela.

Bond e seus colaboradores estimaram a idade do HD 140283 em 14,46 bilhões de anos - uma redução significativa em relação aos 16 bilhões reivindicados anteriormente. Isso, no entanto, era ainda mais do que a idade do próprio universo, mas os cientistas colocaram uma incerteza residual de 800 milhões de anos, que, segundo Bond, tornava a idade da estrela compatível com a idade do universo, embora não fosse inteiramente perfeita .

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"Como todas as estimativas medidas, está sujeito a erros aleatórios e sistemáticos", disse o físico Robert Matthews, da Aston University em Birmingham, Reino Unido, que não esteve envolvido no estudo. "A sobreposição nas barras de erro dá alguma indicação da probabilidade de um conflito com as determinações da idade cosmológica", disse Matthews. "Em outras palavras, a idade da estrela com melhor suporte está em conflito com a idade derivada do universo [conforme determinado pela radiação cósmica de fundo], e o conflito só pode ser resolvido empurrando as barras de erro até seus limites extremos . "

Refinamentos adicionais viram a idade do HD 140283 cair um pouco mais. Um estudo de acompanhamento de 2014 atualizou a idade da estrela para 14,27 bilhões de anos. “A conclusão a que se chegou foi que a idade é de cerca de 14 bilhões de anos e, novamente, se incluirmos todas as fontes de incerteza - tanto nas medidas observacionais quanto na modelagem teórica - o erro é de cerca de 700 ou 800 milhões de anos, então não há conflito porque 13,8 bilhões de anos estão dentro da barra de erro da estrela ", disse Bond.

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. (Crédito da imagem: NASA / WMAP)

Olhando mais de perto a idade do universo

Para Bond, as semelhanças entre a idade do universo e a desta velha estrela próxima - ambas determinadas por diferentes métodos de análise - é "uma incrível conquista científica que fornece evidências muito fortes para a imagem do universo do Big Bang " Ele disse que o problema com a idade das estrelas mais antigas é muito menos grave do que nos anos 1990, quando as idades estelares se aproximavam dos 18 bilhões de anos ou, em um caso, de 20 bilhões de anos. “Com as incertezas das determinações, as idades agora estão de acordo”, disse Bond.

Mesmo assim, Matthews acredita que o problema ainda não foi resolvido. Astrônomos em uma conferência internacional dos melhores cosmologistas do Instituto Kavli de Física Teórica em Santa Bárbara, Califórnia, em julho de 2019, estavam intrigados com estudos que sugeriam diferentes idades para o universo. Eles estavam olhando para medições de galáxias que estão relativamente próximas, o que sugere que o universo é mais jovem em centenas de milhões de anos em comparação com a idade determinada pela radiação cósmica de fundo.

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Na verdade, longe de ter 13,8 bilhões de anos, conforme estimado pelas medições detalhadas da radiação cósmica do telescópio espacial europeu Planck em 2013, o universo pode ter 11,4 bilhões de anos. Um dos responsáveis ​​pelos estudos é o Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland.

As conclusões são baseadas na ideia de um universo em expansão, como mostrado em 1929 por Edwin Hubble. Isso é fundamental para o Big Bang - a compreensão de que já houve um estado de densidade quente que explodiu, esticando o espaço. Indica um ponto de partida que deve ser mensurável, mas novas descobertas sugerem que a taxa de expansão é na verdade cerca de 10% maior do que a sugerida por Planck.

De fato, a equipe do Planck determinou que a taxa de expansão foi de 67,4 km por segundo por megaparsec, mas medições mais recentes feitas da taxa de expansão do universo apontam para valores de 73 ou 74. Isso significa que há uma diferença entre a medição de quão rápido o universo está se expandindo hoje e as previsões de quão rápido ele deve se expandir com base na física do universo primitivo, disse Riess. Isso está levando a uma reavaliação das teorias aceitas, ao mesmo tempo que mostra que ainda há muito a aprender sobre a matéria escura e a energia escura, que se acredita estarem por trás desse enigma.

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Um valor mais alto para a Constante de Hubble indica uma idade mais curta para o universo. Uma constante de 67,74 km por segundo por megaparsec levaria a uma idade de 13,8 bilhões de anos, enquanto uma de 73, ou mesmo tão alta quanto 77 como alguns estudos mostraram, indicaria uma idade do universo não superior a 12,7 bilhões de anos. É uma incompatibilidade que sugere, mais uma vez, que o HD 140283 é mais antigo que o universo. Ele também foi substituído por um estudo de 2019 publicado na revista Science que propôs uma Constante de Hubble de 82,4 - sugerindo que a idade do universo é de apenas 11,4 bilhões de anos.

Matthews acredita que as respostas estão em um maior refinamento cosmológico. "Eu suspeito que os cosmologistas observacionais perderam algo que cria este paradoxo, ao invés dos astrofísicos estelares", disse ele, apontando para as medições das estrelas sendo talvez mais precisas. "Não porque os cosmologistas sejam mais desleixados, mas porque a determinação da idade do universo está sujeita a incertezas observacionais e teóricas mais complicadas e indiscutivelmente mais complicadas do que as estrelas."

Uma visualização da formação das primeiras estrelas. (Crédito da imagem: Wise, Abel, Kaehler (KIPAC / SLAC))

Então, como os cientistas descobrirão isso?

Mas o que poderia estar fazendo o universo parecer potencialmente mais jovem do que esta estrela em particular?

“Existem duas opções, e a história da ciência sugere que, em tais casos, a realidade é uma mistura de ambas”, disse Matthews. "Nesse caso, seriam fontes de erro de observação que não foram totalmente compreendidas, além de algumas lacunas na teoria da dinâmica do universo, como a força da energia escura, que tem sido o principal motor da expansão cósmica por muitos bilhões de anos agora. "

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Ele sugere a possibilidade de que o atual "paradoxo da idade" reflita a variação do tempo na energia escura e, portanto, uma mudança na taxa de aceleração - uma possibilidade que os teóricos descobriram que pode ser compatível com as idéias sobre a natureza fundamental da gravidade, como a chamada teoria dos conjuntos causais. Novas pesquisas sobre ondas gravitacionais podem ajudar a resolver o paradoxo, disse Matthews.

Para fazer isso, os cientistas olhariam para as ondulações no tecido do espaço e do tempo criadas por pares de estrelas mortas, em vez de confiar na radiação cósmica de fundo ou no monitoramento de objetos próximos, como variáveis ​​Cefeidas e supernovas para medir a Constante de Hubble - o primeiro resultando na velocidade de 67 km por segundo por megaparsec e o último em 73.

O problema é que medir as ondas gravitacionais não é uma tarefa fácil, visto que só foram detectadas diretamente pela primeira vez em 2015. Mas, de acordo com Stephen Feeney, astrofísico do Flatiron Institute em Nova York, um avanço poderia ser feito ao longo do próxima década. A ideia é coletar dados de colisões entre pares de estrelas de nêutrons usando a luz visível que esses eventos emitem para descobrir a velocidade com que se movem em relação à Terra. Também envolve a análise das ondas gravitacionais resultantes para uma ideia de distância - ambas as quais podem se combinar para fornecer uma medida da Constante de Hubble que deve ser a mais precisa até agora.

O mistério da era HD 140283 está levando a algo maior e mais complexo cientificamente, alterando a compreensão de como o universo funciona.

"As explicações mais prováveis ​​para o paradoxo são algum efeito observacional esquecido e / ou algo faltando em nossa compreensão da dinâmica da expansão cósmica", disse Matthews. Precisamente o que esse "algo" é, certamente manterá os astrônomos desafiados por algum tempo.

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