Por mais de 100 anos, os astrônomos observam uma estrela curiosa localizada a cerca de 190 anos-luz de distância da Terra na constelação de Libra. Viaja rapidamente pelo céu a 1,3 milhão de quilômetros por hora. Mas mais interessante do que isso, HD 140283 - ou Methuselah como é comumente conhecido - também é uma das mais antigas estrelas conhecidas do universo.
Em 2000, os cientistas procuraram datar a estrela usando observações através do satélite Hipparcos da Agência Espacial Européia (ESA), que estimava uma idade de 16 bilhões de anos. Essa figura era bastante surpreendente e também bastante desconcertante. Como apontou o astrônomo Howard Bond, da Universidade Estadual da Pensilvânia, a idade do universo - determinada a partir de observações do fundo cósmico de microondas - tem 13,8 bilhões de anos. "Foi uma discrepância séria", disse ele.
Tomada pelo valor nominal, a idade prevista da estrela levantou um grande problema. Como uma estrela poderia ser mais velha que o universo? Ou, inversamente, como o universo poderia ser mais jovem? Certamente estava claro que Matusalém - nomeado em referência a um patriarca bíblico que teria morrido aos 969 anos, tornando-o o mais vivo de todas as figuras da Bíblia - era velho, pois 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 antigos que seu ambiente? Certamente isso não é possível.
Olhando mais de perto a idade de Matusalém
Bond e seus colegas decidiram descobrir se esse número inicial de 16 bilhões era ou não exato. Eles analisaram 11 conjuntos de observações que foram registrados entre 2003 e 2011 pelos Sensores de Orientação Fina do Telescópio Espacial Hubble, que anotam as posições, distâncias e produção de energia das estrelas. Na aquisição de medições de paralaxe, espectroscopia e fotometria, uma melhor sensação de idade pode ser determinada.
"Uma das incertezas com a idade de HD 140283 foi a distância precisa da estrela", disse Bond à All About Space. "Era importante acertar isso porque podemos determinar melhor sua luminosidade e, a partir dessa 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 seis meses além de procurar a mudança de posição devido ao movimento orbital da Terra, que nos indica a distância ".
Também existem incertezas na modelagem teórica das estrelas, como as taxas exatas de reações nucleares no núcleo e a importância dos elementos se difundirem nas camadas externas, disse ele. Eles trabalharam na idéia de que o hélio restante se difunde mais profundamente no núcleo, deixando menos hidrogênio queimar por fusão nuclear. Com o combustível usado mais rapidamente, a idade é reduzida.
"Outro fator importante foi, de todas as coisas, a quantidade de oxigênio na estrela", disse Bond. A HD 140283 apresentava uma relação oxigênio / ferro maior que o previsto e, como o oxigênio não era abundante no universo por alguns milhões de anos, apontou novamente para uma idade mais baixa da estrela.
Bond e seus colaboradores estimaram a idade de HD 140283 em 14,46 bilhões de anos - uma redução significativa em relação aos 16 bilhões anteriormente reivindicados. Isso foi, no entanto, ainda mais do que a idade do próprio universo, mas os cientistas colocaram uma incerteza residual de 800 milhões de anos, que Bond disse que tornava a idade da estrela compatível com a idade do universo, mesmo que não fosse totalmente perfeita. .
"Como todas as estimativas medidas, ele está sujeito a erros aleatórios e sistemáticos", disse o físico Robert Matthews, da Universidade Aston, em Birmingham, Reino Unido, que não participou do estudo. "A sobreposição nas barras de erro fornece alguma indicação da probabilidade de um conflito com as determinações cosmológicas da idade", disse Matthews. "Em outras palavras, a idade da estrela mais bem suportada está em conflito com a da idade derivada do universo, e o conflito só pode ser resolvido levando as barras de erro a seus limites extremos."
Outros aperfeiçoamentos 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 foi que a idade é de cerca de 14 bilhões de anos e, novamente, se incluirmos todas as fontes de incerteza - tanto nas medições observacionais quanto na modelagem teórica - o erro é de cerca de 700 ou 800 milhões de anos, portanto não há conflito. porque 13,8 bilhões de anos estão dentro da barra de erros da estrela ", disse Bond.
Olhando mais de perto a idade do universo
Para Bond, as semelhanças entre a idade do universo e a desta velha estrela próxima - ambas as quais foram 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 90, quando as idades estelares se aproximavam de 18 bilhões de anos ou, em um caso, de 20 bilhões de anos. "Com as incertezas das determinações, as idades estão agora concordando", disse Bond.
No entanto, Matthews acredita que o problema ainda não foi resolvido. Astrônomos em uma conferência internacional dos principais cosmólogos do Instituto Kavli de Física Teórica, em Santa Barbara, Califórnia, em julho de 2019, estavam intrigados com estudos que sugeriam diferentes idades para o universo. Eles estavam analisando medidas de galáxias relativamente próximas, o que sugere que o universo é mais jovem em centenas de milhões de anos em comparação com a idade determinada pelo fundo cósmico de microondas.
De fato, 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 apenas 11,4 bilhões de anos. Um dos responsáveis pelos estudos é o vencedor do Prêmio Nobel Adam Riess, do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial, 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 havia um estado de densidade quente que explodiu, esticando o espaço. Isso 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 que a sugerida por Planck.
De fato, a equipe de Planck determinou que a taxa de expansão foi de 67,4 km por segundo por megaparsec, mas medições mais recentes 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, além de mostrar que ainda há muito a aprender sobre matéria escura e energia escura, que se acredita estar por trás desse enigma.
Um valor mais alto para a Constante 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 um dos 73, ou mesmo tão alto 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. 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 maior refinamento cosmológico. "Suspeito que os cosmólogos observacionais tenham perdido algo que cria esse paradoxo, e não os astrofísicos estelares", disse ele, apontando que as medidas das estrelas são talvez mais precisas. "Isso não é porque os cosmólogos são, de alguma maneira, mais desleixados, mas porque a determinação da idade do universo está sujeita a incertezas observacionais e teóricas mais e sem dúvida mais complicadas do que a das estrelas".
Então, como os cientistas descobrirão isso?
O que poderia estar fazendo o universo potencialmente parecer mais jovem que essa estrela em particular?
"Existem duas opções, e a história da ciência sugere que, nesses casos, a realidade é uma mistura de ambas", disse Matthews. "Nesse caso, seriam fontes de erro observacional que ainda 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 impulsionador da expansão cósmica. por muitos bilhões de anos agora ".
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 ser compatível com idéias sobre a natureza fundamental da gravidade, como as chamadas teoria dos conjuntos causais. Novas pesquisas sobre ondas gravitacionais podem ajudar a resolver o paradoxo, disse Matthews.
Para fazer isso, os cientistas examinariam as ondulações no tecido do espaço e do tempo criadas por pares de estrelas mortas, em vez de confiar no fundo cósmico de microondas 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 segundo em 73.
O problema é que medir ondas gravitacionais não é tarefa fácil, uma vez que foram detectadas diretamente pela primeira vez em 2015. Mas, de acordo com Stephen Feeney, astrofísico do Flatiron Institute em Nova York, um avanço pode ser feito ao longo do curso. próxima década. A idéia é coletar dados de colisões entre pares de estrelas de nêutrons usando a luz visível que esses eventos emitem para descobrir a velocidade que eles estão se movendo em relação à Terra. Também implica analisar as ondas gravitacionais resultantes para uma idéia de distância - ambas combinadas para fornecer uma medida da Constante de Hubble que deve ser a mais precisa até o momento.
O mistério da era da 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 alguns efeitos observacionais negligenciados e / ou algo que falta muito 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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