Por David Crookes – revista All About Space
Misterios espaciales: si el universo tiene 13.800 millones de años, ¿cómo puede una estrella tener más de 14.000 millones de años?
Esta imagen de Sky Survey digitalizada muestra la estrella más antigua con una edad bien determinada en nuestra galaxia. Llamada la estrella de Matusalén, HD 140283 está a 190.1 años luz de distancia. Los astrónomos refinaron la edad de la estrella a unos 14.500 millones de años (que es más antigua que el universo), más o menos 800 millones de años. Imagen lanzada el 7 de marzo de 2013(Imagen: © Digitized Sky Survey (DSS), STScI / AURA, Palomar / Caltech y UKSTU / AAO)
Durante más de 100 años, los astrónomos han estado observando una estrella curiosa ubicada a unos 190 años luz de la Tierra en la constelación de Libra . Viaja rápidamente por el 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, también es una de las estrellas más antiguas conocidas del universo.
En 2000, los científicos intentaron fechar a la estrella utilizando observaciones a través del satélite Hipparcos de la Agencia Espacial Europea (ESA) , que estimaba una edad de 16 mil millones de años. Tal figura 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 grave», dijo.
Tomada al pie de la letra, la edad prevista de la estrella planteó un problema importante. ¿Cómo podría una estrella ser más vieja que el universo? O, por el contrario, ¿cómo podría ser más joven el universo? Ciertamente estaba claro que Matusalén , nombrado en referencia a un patriarca bíblico que se dice que murió a los 969 años, lo que lo convirtió en el más longevo de todas las figuras de la Biblia, era viejo, ya que el subgigante pobre en metales está hecho principalmente 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 viejo que su entorno? Seguramente eso no es posible.
Echando un vistazo más de cerca a la edad de Matusalén
Bond y sus colegas se pusieron a la tarea de averiguar si esa cifra inicial de 16 mil millones era correcta o no. Examinaron 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, espectroscopía 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 dice 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 con la idea de que el heliosobrante se difunde más profundamente en el núcleo, dejando menos hidrógeno para quemar por fusión nuclear. Con el combustible usado más rápido, la edad se reduce.
«Otro factor importante fue, de todas las cosas, la cantidad de oxígeno en la estrella», dijo Bond. HD 140283 tenía una proporción de oxígeno a hierro superior a la prevista y, dado que el oxígeno no era abundante en el universo durante unos pocos millones de años, apuntó nuevamente a una edad más baja para la estrella.
Bond y sus colaboradores estimaron que la edad de HD 140283 era de 14.460 millones de años, una reducción significativa respecto de los 16.000 millones reclamados anteriormente. Sin embargo, eso era aún más que la edad del universo mismo, 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 , a pesar de que no era del todo perfecto. .
«Al igual que todas las estimaciones medidas, está sujeto 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 cosmológicas de edad», dijo Matthews. «En otras palabras, la edad mejor soportada de la estrella 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 «.
Otros refinamientos vieron la edad de HD 140283 caer un poco más. Un estudio de seguimiento de 2014 actualizó la edad de la estrella a 14,27 mil millones de años. «Se llegó a la conclusión de que la edad es de aproximadamente 14 mil millones de años y, de nuevo, si se incluyen todas las fuentes de incertidumbre, tanto en las mediciones de observación como en el modelado teórico, el error es de aproximadamente 700 u 800 millones de años, por lo que no hay conflicto porque 13.8 mil millones de años se encuentran dentro de la barra de error de la estrella «, dijo Bond.
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, las cuales han sido determinadas por diferentes métodos de análisis, son «un logro científico sorprendente que proporciona pruebas muy sólidas de la imagen del universo del Big Bang«. «. Dijo que el problema con la edad de las estrellas más antiguas es mucho menos grave que en la década de 1990, cuando las edades estelares se acercaban a los 18 mil millones de años o, en un caso, a 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 desconcertando sobre los estudios que sugerían diferentes edades para el universo. Observaban mediciones de galaxias relativamente cercanas que sugieren que el universo es más joven por cientos de millones de años en comparación con la edad determinada por el fondo cósmico de microondas.
De hecho, lejos de tener 13.800 millones de años, según las mediciones detalladas de la radiación cósmica del telescopio espacial Planck en 2013, el universo puede ser tan joven como 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 alta densidad que explotó, estirando el espacio. Indica un punto de partida que debería ser medible, pero nuevos hallazgos sugieren que la tasa de expansión es en realidad alrededor de un 10% más alta que la sugerida por Planck.
La tasa de expansión del universo cuestionada
Matthews cree que las respuestas se encuentran en un mayor refinamiento cosmológico. «Sospecho que los cosmólogos observacionales se han perdido algo que crea esta paradoja, en lugar de los astrofísicos estelares», dijo, señalando que las mediciones de las estrellas son quizás más precisas. «Eso no se debe a que los cosmólogos sean de alguna manera más descuidados, sino a que la determinación de la edad del universo está sujeta a incertidumbres teóricas y observacionales más complicadas que las estrellas».
¿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 mezcla de ambas», dijo Matthews. «En este caso, eso sería una fuente de error de observación que no se ha entendido completamente, más 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 miles de millones de años «.
Sugiere la posibilidad de que la «paradoja de la edad» actual refleje la variación del tiempo en la energía oscura y, por lo tanto, un cambio en la tasa de aceleración, una posibilidad que los teóricos han encontrado que podría ser compatible con ideas sobre la naturaleza fundamental de la gravedad , como la llamada teoría de conjuntos causales. Matthews dijo que una nueva investigación sobre las ondas gravitacionales podría ayudar a resolver la paradoja.
Para hacer esto, los científicos mirarían 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 del Hubble. el primero resulta en una velocidad de 67 km por segundo por megaparsec y el segundo en 73.
Hubble observa fuente de ondas gravitacionales
El problema es que medir 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 pudo lograr un gran avance en el transcurso de la historia. La próxima década. La idea es recopilar datos de colisiones entre pares de estrellasde 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, que pueden combinarse para dar una medición de la constante de Hubble que debería ser la más precisa hasta ahora.
El misterio de la era de HD 140283 está llevando a algo más grande y más complejo científicamente, alterando la comprensión de cómo funciona el universo.
«Las explicaciones más probables para la paradoja son algunos efectos de observación pasados por alto y / o algo grande que falta en nuestra comprensión de la dinámica de la expansión cósmica», dijo Matthews. Precisamente lo que ese «algo» es, seguramente mantendrá a los astrónomos desafiados por algún tiempo.