Tại sao các nhà khoa học cho rằng ngôi sao HD 140283 đã tồn tại trước khi vũ trụ được hình thành?

Năm 2000, dựa trên dữ liệu đo được bởi vệ tinh Hipparcos của Cơ quan Thiên văn Châu Âu, ngôi sao HD140283 được tính toán có tuổi thọ lên tới 16 tỷ năm.

Con số này đặt ra một vấn đề rất lớn đối với các nhà thiên văn học, bởi vì thời gian tồn tại của vũ trụ, được tính từ bức xạ nền vi sóng, là 13,8 tỷ năm.

Đây được gọi là "nghịch lý tuổi tác" trong thiên văn học. Do đó, ngôi sao này đã được đặt theo tên của Methuselah, người đàn ông sống lâu nhất trong Kinh thánh - sống đến 969 tuổi.

Về cơ bản, ngôi sao này được cấu tạo từ hydro và heli, bên trong hầu như không có sắt, điều này phù hợp với tuổi thọ lâu dài của nó, khi ngôi sao này được hình thành, sắt vẫn là một vật chất quý hiếm trong vũ trụ. Nhưng làm thế nào mà một ngôi sao có thể tồn tại lâu hơn toàn bộ vũ trụ hơn 2 tỷ năm?

Nhà thiên văn học Howard Bond của Đại học Penn State cùng nhóm nghiên cứu của ông đã tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này. Họ đã xem xét dữ liệu do Kính viễn vọng Không gian Hubble thu thập từ năm 2003 đến năm 2011, ghi lại vị trí, khoảng cách và năng lượng của nhiều ngôi sao.

Bằng cách kiểm tra các phép đo khoa học khác nhau, họ hy vọng sẽ xác định chính xác hơn tuổi của Methuselah. Một nguyên nhân có thể gây ra sai số này là khoảng cách chính xác của ngôi sao.

Các nhà thiên văn học sử dụng khoảng cách và độ sáng biểu kiến của ngôi sao để tính toán độ sáng thực tế của ngôi sao và từ đó ước tính tuổi của ngôi sao.

Độ sáng thực tế càng sáng thì ngôi sao càng trẻ. Khoảng cách đến các ngôi sao được đo bằng thị sai, đó là sự thay đổi nhỏ về vị trí của các ngôi sao được quan sát trong khoảng thời gian sáu tháng khi Trái Đất ở hai đầu quỹ đạo của nó.

Nguyên nhân thứ hai dẫn đến xác định sai tuổi của một ngôi sao còn đến từ mô hình lý thuyết của ngôi sao, chẳng hạn như tốc độ chính xác của phản ứng hạt nhân trong lõi và sự khuếch tán vào bên trong của các nguyên tố khác nhau ở lớp ngoài của ngôi sao,...

Nhóm của Bond cho rằng heli ở các lớp bên ngoài của ngôi sao khuếch tán sâu hơn vào lõi bên trong so với ước tính trước đây, do đó phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể đốt cháy ít hydro hơn so với ước tính và ngôi sao này có thể có tuổi đời trẻ hơn so với ước tính.

Nguyên nhân thứ ba đến từ sự phong phú của oxy. Tỷ lệ oxy và sắt trong Methuselah có thể cao hơn dự đoán. Trong vài triệu năm đầu tiên sau khi vũ trụ hình thành, oxy cũng là một nguyên tố hiếm, vì vậy điều này có thể có nghĩa là Methuselah có tuổi đời trẻ hơn so với phỏng đoán trước đây.

Sau nhiều quan sát và phân tích, nhóm nghiên cứu của Bond cuối cùng đã đưa ra ước tính về độ tuổi của ngôi sao này là 14,46 tỷ năm, giảm đáng kể so với 16 tỷ năm như dự đoán trước đó. Nhưng với con số này, nó vẫn già hơn tuổi của vũ trụ. Tuy nhiên, ước tính này có thể có sai số khoảng 800 triệu năm nên Bond tin rằng điều này không mâu thuẫn với lịch sử tiến hóa của vũ trụ.

Nhóm của Bond sau đó đã công bố nghiên cứu sâu hơn vào năm 2014, thu hẹp ước tính tuổi của Methuselah xuống còn 14,27 tỷ cộng hoặc trừ 700 đến 800 triệu năm.

Nhưng Robert Matthews, một nhà vật lý tại Đại học Aston ở Birmingham, Vương quốc Anh cảm thấy vấn đề của ngôi sao này thực sự không đơn giản như vậy.

Trên thực tế, vào tháng 7 năm 2019, tại Hội nghị quốc tế của các nhà vũ trụ học ở Santa Barbara, California, Hoa Kỳ, câu hỏi vũ trụ bao nhiêu tuổi lại một lần nữa nổi lên.

Các nhà thiên văn học bao gồm người đoạt giải Nobel năm 2011 Adam Ries, khi quan sát các thiên hà tương đối gần chúng ta, đã phát hiện ra rằng vũ trụ có thể trẻ hơn hàng trăm triệu năm so với dự đoán của bức xạ nền vi sóng.

Bản chất của khái niệm về tuổi của vũ trụ bắt nguồn từ hiện tượng vũ trụ giãn nở, và nghiên cứu mới này cho thấy sự giãn nở của vũ trụ nhanh hơn khoảng 10% so với ước tính trước đây.

Năm 2013, qua quan sát bức xạ nền vi sóng của Kính thiên văn vũ trụ Planck Châu Âu, các nhà khoa học đã tính được tuổi của vũ trụ là 13,8 tỷ năm với tốc độ giãn nở là 67,4 km/giây trên megaparsec. Nhưng các phép đo gần đây cho thấy giá trị này phải vào khoảng 74 km/giây trên megaparsec.

Điều này có nghĩa là các phép đo ngày nay về tốc độ giãn nở của vũ trụ không khớp với các dự đoán dựa trên cơ sở vật lý của vũ trụ sơ khai.

Với tốc độ giãn nở 74 km/giây trên megaparsec sẽ tương ứng với tuổi của vũ trụ là 12,7 tỷ năm. Sau năm 2019, ước tính mới nhất của tờ New York Times thậm chí còn nâng hằng số này lên lớn 82,4, như vậy vũ trụ sẽ có tuổi tương ứng là 11,4 tỷ năm tuổi, do đó câu hỏi về tuổi thực tế của Methuselah vẫn chưa có lời giải.

Matthews cho rằng: "Giữa các nhà vũ trụ học và các nhà vật lý thiên văn xuất sắc, tôi có xu hướng nghĩ rằng các nhà vũ trụ học đang hiểu sai vấn đề. Không phải vì các nhà vũ trụ học bất cẩn, mà vì các quan sát và lý thuyết cần thiết để ước tính tuổi của vũ trụ phức tạp hơn ước tính tuổi của những vì sao".

Ông tin rằng có hai nguồn sai số có thể xảy ra trong việc ước tính tuổi của vũ trụ: một là sự tồn tại của các sai số quan sát chưa được hiểu đầy đủ, và hai là sai số trong mô hình tiến hóa của vũ trụ.

Theo kinh nghiệm của lịch sử khoa học, sự thật thường là cả hai. Ông cho rằng năng lượng tối có thể thay đổi theo thang thời gian, một khả năng mà các nhà vật lý đã đề xuất trước đây và chỉ ra rằng điều này có thể phù hợp với lý thuyết tập hợp nhân quả trong lực hấp dẫn lượng tử.

Nếu vậy, nghiên cứu sóng hấp dẫn mới nhất có thể giải quyết được "nghịch lý tuổi tác". Lần đo trực tiếp sóng hấp dẫn đầu tiên là vào năm 2015, và vẫn còn rất nhiều khó khăn. Nhưng các nhà vật lý thiên văn nghĩ rằng chúng ta sẽ có một bước đột phá trong thập kỷ tới. Một ý tưởng hiện nay là thu thập ánh sáng khả kiến phát ra từ các cặp sao neutron va chạm để tính xem chúng mất bao lâu để đến Trái Đất, đồng thời tính toán sóng hấp dẫn của chúng. Độ chính xác của phương pháp này chắc chắn sẽ vượt xa phương thức tính toán dựa trênbức xạ nền vi sóng.

Cuối cùng, bí ẩn về tuổi của Methuselah có thể giúp hiểu rõ hơn về cách vũ trụ hoạt động. Bí ẩn này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn một số hiệu ứng hấp dẫn bị bỏ quên, hoặc hiểu rõ hơn về cơ chế giãn nở của vũ trụ. Đây là một thách thức mà các nhà thiên văn học sẽ giải quyết trong vài năm tới.