最偉大的宇宙謎題：天文學家發現比宇宙更古老的恆星

最新 09-09

【博科園-科學科普】如果你想了解恆星是如何運作的，你可以觀察其中一個的物理性質，並推斷它的年齡可知道它什麼時候誕生。隨著年齡的增長恆星會經歷許多變化：恆星的半徑、亮度和溫度都會隨著燃料的燃燒而發生變化。

在仙女座星系中最古老的單個恆星在星系的光暈中被發現。然而球狀星團和隨機的場星可能被證明包含了宇宙中所有最古老的恆星。圖片版權：NASA, ESA and T.M. Brown (STScI)

但一般來說恆星的壽命取決於它的兩個性質：即質量和金屬丰度，也就是比氫和氦更重的元素的數量。天文學家在宇宙中發現的最古老的恆星幾乎都是原始的，其中幾乎100%的構成都是由大爆炸遺留下來的氫和氦。它們的年齡超過130億歲，其中年齡最大的是145億。然而這是一個大問題，因為宇宙本身只有138億年的歷史（138.17億歲）。

球狀星團歐米茄半人馬座的核心是古老恆星中最擁擠的區域之一。雖然這裡的恆星有120億年的歷史，但有些恆星的年齡超過了140億年，這是一個大問題：因為宇宙本身只有138億年的歷史。圖片版權：NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

不能很好地擁有比宇宙本身更古老的恆星，這就意味著在大爆炸發生之前，恆星就已經存在了！然而宇宙大爆炸是宇宙的起源，所有的物質，能量，中微子，光子，反物質，暗物質，甚至暗能量都起源於此。在我們可觀測的宇宙中所包含的一切都來自於那個大爆炸事件，我們今天所感知到的一切都可以追溯到那個時代。因此最簡單的解釋是：宇宙中存在著恆星，必須排除在外。

從大爆炸以來回顧各種不同的距離是不同的。然而如果大爆炸發生在138億年前，那麼最古老的恆星一定不會比那個年齡大（138.17億歲）。圖片版權：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

也有可能我們已經把宇宙的年齡搞錯了！我們到達這個數字的方式是在最大尺度上對宇宙進行精確測量，通過查看一系列的特徵包括：

1、從大爆炸遺留下來宇宙微波背景輻射的密度和溫度不完美，

2、現在的恆星和星系聚集在一起數十億光年

3、哈勃膨脹率的宇宙結構（哈勃定律）

4、恆星形成和星系演化的歷史

還有很多其他的來源，我們已經得到了一個非常一致的宇宙的圖像。它由68%的暗能量、27%的暗物質、4.9%的正常物質組成，約0.1%的中微子和0.01%的輻射，大約在138億年前。年齡的不確定性小於1億歲（誤差），所以即使宇宙年齡稍微小一點也不太可能，但要達到145億年的時間是非常不可能的。

歐洲航天局的蓋亞任務測量了銀河系中心附近數億顆恆星的位置和性質，並發現了一些已知在這個環境中存在的最古老的恆星的證據。圖片版權：ESA/Gaia/DPAC

所以這隻剩下了一個合理的可能性：也許年齡是錯的，我們已經觀察了數億顆恆星的細節，它們在生命周期的各個階段。我們知道恆星是如何形成的，在什麼條件下知道它們是何時以及如何點燃核聚變的，也知道知道氫融合的各個階段以及它們的效率有多高，知道恆星這一生以及如何識別各種不同質量的恆星的垂死掙扎。簡而言之天文學是一門非常強大的科學，尤其是涉及到恆星的時候。一般來說最古老的恆星的質量相對較低(比我們的太陽質量要小)，它的金屬含量非常低(除了氫和氦以外的元素)，而且還應該提前對星系本身進行預測。

一組球狀星團Terzan 5與銀河系的過去有一個獨特的聯繫。難以置信的老恆星可以在球狀星團中找到，在我們周圍的宇宙中出現了一些最早的恆星形成的遺迹。圖片版權：NASA/ESA/Hubble/F. Ferraro

它們中的許多都是球狀星團中發現的，它們被證實含有超過120億顆恆星，在罕見的情況下甚至有130億年。一代人以前人們聲稱這些星團的年齡在14到160億歲之間，在公認的宇宙模型中製造了張力，但是對恆星進化的理解已經使這些數字重新回到了基線上。我們還開發更先進的技術，觀察能力有所改善，通過測量不僅碳、氧或含鐵量這些恆星，但通過使用放射性衰變的鈾和釷丰度與宇宙元素中創建的第一個超新星，我們可以追溯許多單獨的恆星。

SDSS J102915+172927是一顆古老的恆星，它包含了太陽所擁有的重元素的1/20000，而且應該超過130億年。它是宇宙中年齡最大的恆星之一，與1523-0901相比它的金屬含量要低得多。圖片版權：ESO, Digitized Sky Survey 2

在2007年天文學家測量了編號1523-0901的恆星，它大約是太陽質量的80%，只包含太陽喊鐵的0.1%，並且從放射性元素的丰度測量到132億年。在2015年銀河系中心附近的一組九顆恆星的形成時間是在135億年前形成的，大爆炸之後的3億年在銀河系的形成之前，這些古老的遺迹的共同發現者Louise Howes說：這些恆星在銀河系前形成，而星系圍繞它們形成，事實上這九顆恆星中有一顆的鐵含量不到太陽的0.001%，這正是詹姆斯韋伯太空望遠鏡將於2018年10月發射時所要尋找的恆星類型和恆星群的類型項目之一。

這是一個數字化的天空測量圖像，它是我們銀河系中年齡最大的恆星。這顆衰老的恆星被歸類為HD 14283，位於190光年之外。nasa/esa哈勃太空望遠鏡用於縮小恆星距離的測量不確定度，這有助於精確計算一個更精確的年齡——145億年(正負8億年)。圖片版權：Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

但最讓人困惑的是HD 14283被非正式地命名為「瑪土撒拉星」。在190光年之外，天文學家可以測量它的光度、表面溫度和組成，也可以看到它剛剛開始演變成成為一個巨大的紅巨星階段。這些信息結合起來使天文學家能夠得到一個受限制的恆星年齡的值，但結果令人不安，至少可以說144.6億年。然而它所顯示的其他一些特性，比如鐵含量為太陽的0.4%，表明它非常古老，但並不完全是最古老的恆星之一。儘管在大約8億年的時間裡存在著不確定性，但這仍然讓人很不舒服，並暗示著恆星的年齡和宇宙的年齡之間存在著潛在的衝突。

正如我們今天所知道的銀河系在幾十億年里並沒有發生什麼變化。但是隨著恆星年齡的增長，那些質量更大的恆星就會終結它們的生命，而那些質量較低的恆星開始演化成亞巨行星。0.8個太陽質量恆星開始演化，這表明宇宙的年齡有些問題。圖片版權：ESO/S. Guisard

現在總是有可能在恆星的過去發生了一些可疑的事情我們今天不知道。它有可能是一顆質量更高的恆星，它的外層剝離了外層物質，從而使恆星的生命周期急劇縮短。很有可能恆星吸收了一些其它的物質，改變了它的重元素含量，扭曲了我們今天的認知。也有可能我們在這些古老的低金屬丰度恆星的恆星演化的子大階段有一個誤解。當我們嘗試計算最古老的恆星的年齡時這些未知(在某些情況下是未知的)是可能的錯誤來源。

但是如果這些年齡都正確的話可能會有一個問題，不可能有一個存在於我們宇宙中的恆星，它比宇宙本身更古老。我們對這些恆星的年齡的估算是錯誤的或我們對宇宙年齡的估算是錯誤的又或者我們甚至沒有考慮的其他東西，都是可能的。