Selama lebih dari 100 tahun, para astronom telah mengamati bintang penasaran yang terletak sekitar 190 tahun cahaya dari Bumi di rasi bintang Libra. Ini dengan cepat melakukan perjalanan melintasi langit dengan kecepatan 800.000 mph (1,3 juta kilometer per jam). Tetapi lebih menarik dari itu, HD 140283 - atau Methuselah seperti yang biasa dikenal - juga merupakan salah satu bintang tertua yang diketahui di alam semesta.
Pada tahun 2000, para ilmuwan berusaha mengencani bintang tersebut menggunakan pengamatan melalui satelit Hipparcos dari Badan Antariksa Eropa (ESA), yang diperkirakan berusia 16 miliar tahun. Sosok seperti itu agak mengejutkan dan juga cukup membingungkan. Seperti yang ditunjukkan oleh astronom Howard Bond dari Pennsylvania State University, usia alam semesta - ditentukan dari pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik - berusia 13,8 miliar tahun. "Itu perbedaan serius," katanya.
Diambil pada nilai nominal, usia yang diprediksi bintang itu menimbulkan masalah besar. Bagaimana mungkin bintang lebih tua dari jagat raya? Atau, sebaliknya, bagaimana mungkin alam semesta menjadi lebih muda? Jelas sekali bahwa Metuselah - yang disebutkan dalam referensi untuk seorang patriark alkitabiah yang dikatakan telah meninggal pada usia 969, menjadikannya yang paling lama hidup dari semua figur dalam Alkitab - sudah tua, karena anak-anak miskin dari logam itu sebagian besar terbuat dari hidrogen dan helium dan mengandung sedikit besi. Komposisinya berarti bintang itu harus ada sebelum besi menjadi biasa.
Tetapi lebih dari dua miliar tahun lebih tua dari lingkungannya? Tentunya itu tidak mungkin.
Melihat lebih dekat usia Methuselah
Bond dan rekan-rekannya mengatur diri mereka sendiri dengan tugas mencari tahu apakah angka awal 16 miliar itu akurat atau tidak. Mereka meneliti lebih dari 11 set pengamatan yang telah direkam antara tahun 2003 dan 2011 oleh Sensor Bimbingan Baik dari Teleskop Luar Angkasa Hubble, yang mencatat posisi, jarak, dan output energi bintang. Dalam memperoleh pengukuran paralaks, spektroskopi, dan fotometri, tingkat usia yang lebih baik dapat ditentukan.
"Salah satu ketidakpastian dengan usia HD 140283 adalah jarak yang tepat dari bintang itu," kata Bond kepada All About Space. "Adalah penting untuk memperbaiki ini karena kita dapat lebih baik menentukan luminositasnya, dan dari usianya - semakin terang luminositas intrinsiknya, semakin muda bintangnya. Kami mencari efek paralaks, yang berarti kami melihat bintang enam bulan. terpisah untuk mencari pergeseran dalam posisinya karena gerakan orbital Bumi, yang memberi tahu kita jaraknya. "
Ada juga ketidakpastian dalam pemodelan teoritis bintang-bintang, seperti tingkat pasti reaksi nuklir di inti dan pentingnya elemen menyebar ke bawah di lapisan luar, katanya. Mereka bekerja pada gagasan bahwa sisa helium berdifusi lebih dalam ke inti, meninggalkan lebih sedikit hidrogen untuk terbakar melalui fusi nuklir. Dengan bahan bakar yang digunakan lebih cepat, usia diturunkan.
"Faktor lain yang penting adalah jumlah oksigen di bintang itu," kata Bond. HD 140283 memiliki rasio oksigen-ke-besi yang lebih tinggi dari yang diperkirakan dan, karena oksigen tidak berlimpah di alam semesta selama beberapa juta tahun, ia menunjuk lagi ke usia yang lebih rendah untuk bintang tersebut.
Bond dan kolaboratornya memperkirakan usia HD 140283 adalah 14,46 miliar tahun - pengurangan yang signifikan pada 16 miliar yang diklaim sebelumnya. Itu, bagaimanapun, masih lebih dari usia alam semesta itu sendiri, tetapi para ilmuwan mengajukan ketidakpastian residual 800 juta tahun, yang menurut Bond membuat usia bintang itu selaras dengan usia alam semesta, meskipun itu tidak sepenuhnya sempurna. .
"Seperti semua perkiraan yang diukur, itu adalah kesalahan acak dan sistematis," kata fisikawan Robert Matthews dari Universitas Aston di Birmingham, Inggris, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Tumpang tindih di bar kesalahan memberikan beberapa indikasi kemungkinan bentrokan dengan penentuan usia kosmologis," kata Matthews. "Dengan kata lain, usia bintang yang didukung terbaik adalah dalam konflik dengan usia yang diturunkan dari alam semesta, dan konflik hanya dapat diselesaikan dengan mendorong batang kesalahan ke batas ekstrim mereka."
Perbaikan lebih lanjut melihat usia HD 140283 jatuh sedikit lebih. Penelitian lanjutan 2014 memperbaharui usia bintang menjadi 14,27 miliar tahun. "Kesimpulan yang dicapai adalah bahwa usianya sekitar 14 miliar tahun dan, sekali lagi, jika seseorang memasukkan semua sumber ketidakpastian - baik dalam pengukuran pengamatan dan pemodelan teoritis - kesalahannya adalah sekitar 700 atau 800 juta tahun, sehingga tidak ada konflik karena 13,8 miliar tahun terletak di dalam bar kesalahan bintang, "kata Bond.
Mencermati zaman jagat raya
Bagi Bond, kesamaan antara usia alam semesta dan bintang tua di dekatnya - keduanya telah ditentukan dengan metode analisis yang berbeda - adalah "prestasi ilmiah yang luar biasa yang memberikan bukti yang sangat kuat untuk gambaran Big Bang tentang alam semesta. ". Dia mengatakan masalah dengan usia bintang tertua jauh lebih parah daripada pada 1990-an ketika usia bintang mendekati 18 miliar tahun atau, dalam satu kasus, 20 miliar tahun. "Dengan ketidakpastian penentuan, zaman sekarang setuju," kata Bond.
Namun Matthews percaya masalah belum terselesaikan. Para astronom pada konferensi internasional kosmolog top di Institut Kavli untuk Fisika Teoretis di Santa Barbara, California, pada bulan Juli 2019 membingungkan penelitian yang menyarankan usia yang berbeda untuk alam semesta. Mereka melihat pengukuran galaksi yang relatif dekat yang menunjukkan bahwa alam semesta lebih muda oleh ratusan juta tahun dibandingkan dengan usia yang ditentukan oleh latar belakang gelombang mikro kosmik.
Faktanya, jauh dari 13,8 miliar tahun, seperti yang diperkirakan oleh pengukuran terperinci teleskop ruang angkasa Planck Eropa tentang radiasi kosmik pada 2013, alam semesta mungkin semuda 11,4 miliar tahun. Salah satu yang berada di balik penelitian ini adalah pemenang Nobel Adam Riess dari Space Telescope Science Institute di Baltimore, Maryland.
Kesimpulannya didasarkan pada gagasan tentang alam semesta yang mengembang, seperti yang ditunjukkan pada tahun 1929 oleh Edwin Hubble. Ini merupakan hal mendasar bagi Big Bang - pemahaman bahwa pernah ada keadaan kepadatan panas yang meledak, merentangkan ruang. Ini menunjukkan titik awal yang harus diukur, tetapi temuan baru menunjukkan bahwa tingkat ekspansi sebenarnya sekitar 10% lebih tinggi daripada yang disarankan oleh Planck.
Memang, tim Planck menentukan bahwa laju ekspansi adalah 67,4 km per detik per megaparsec, tetapi pengukuran yang lebih baru diambil dari tingkat ekspansi alam semesta menunjuk ke nilai 73 atau 74. Itu berarti ada perbedaan antara pengukuran seberapa cepat alam semesta mengembang saat ini dan prediksi seberapa cepat seharusnya berkembang berdasarkan fisika alam semesta awal, kata Riess. Ini mengarah pada penilaian kembali teori-teori yang diterima sementara juga menunjukkan masih banyak yang harus dipelajari tentang materi gelap dan energi gelap, yang dianggap berada di balik teka-teki ini.
Nilai yang lebih tinggi untuk Konstan Hubble menunjukkan usia yang lebih pendek untuk alam semesta. Konstanta 67,74 km per detik per megaparsec akan mengarah ke usia 13,8 miliar tahun, sedangkan satu dari 73, atau bahkan setinggi 77 seperti beberapa penelitian telah menunjukkan, akan menunjukkan usia alam semesta tidak lebih dari 12,7 miliar tahun. Ini ketidakcocokan yang menunjukkan, sekali lagi, bahwa HD 140283 lebih tua dari alam semesta. Sejak itu juga telah digantikan oleh studi 2019 yang diterbitkan dalam jurnal Science yang mengusulkan Konstan Hubble 82,4 - menunjukkan bahwa usia alam semesta hanya 11,4 miliar tahun.
Matthews percaya bahwa jawabannya terletak pada penyempurnaan kosmologis yang lebih besar. "Saya menduga bahwa para ahli kosmologi pengamatan telah melewatkan sesuatu yang menciptakan paradoks ini, daripada astrofisika bintang," katanya, menunjuk pada pengukuran bintang-bintang yang mungkin lebih akurat. "Itu bukan karena para kosmolog lebih ceroboh, tetapi karena penentuan usia alam semesta tunduk pada ketidakpastian pengamatan dan teoretis yang lebih rumit daripada bintang-bintang."
Jadi, bagaimana para ilmuwan akan mengetahui hal ini?
Apa yang bisa membuat alam semesta berpotensi terlihat lebih muda daripada bintang khusus ini?
"Ada dua pilihan, dan sejarah sains menunjukkan bahwa dalam kasus-kasus seperti itu kenyataannya adalah campuran dari keduanya," kata Matthews. "Dalam hal ini yang akan menjadi sumber kesalahan pengamatan yang belum sepenuhnya dipahami, ditambah beberapa celah dalam teori dinamika alam semesta, seperti kekuatan energi gelap, yang telah menjadi pendorong utama ekspansi kosmik selama miliaran tahun sekarang. "
Dia menyarankan kemungkinan bahwa "paradoks zaman" saat ini mencerminkan variasi waktu dalam energi gelap, dan dengan demikian perubahan dalam laju percepatan - kemungkinan yang ditemukan oleh para ahli teori mungkin kompatibel dengan ide-ide tentang sifat dasar gravitasi, seperti yang disebut teori himpunan kausal. Penelitian baru terhadap gelombang gravitasi dapat membantu menyelesaikan paradoks, kata Matthews.
Untuk melakukan ini, para ilmuwan akan melihat riak-riak di jalinan ruang dan waktu yang diciptakan oleh pasangan bintang mati, daripada mengandalkan latar belakang gelombang mikro kosmik atau pemantauan objek terdekat seperti variabel Cepheid dan supernova untuk mengukur Hubble Constant - yang pertama menghasilkan kecepatan 67 km per detik per megaparsec dan yang terakhir di 73.
Masalahnya, mengukur gelombang gravitasi bukanlah tugas yang mudah, mengingat mereka hanya terdeteksi secara langsung untuk pertama kalinya pada tahun 2015. Tetapi menurut Stephen Feeney, seorang astrofisikawan di Institut Flatiron di New York, terobosan dapat dilakukan selama dekade berikutnya. Idenya adalah untuk mengumpulkan data dari tabrakan antara pasangan bintang neutron menggunakan cahaya tampak yang dipancarkan peristiwa ini untuk mengetahui kecepatan mereka bergerak relatif terhadap Bumi. Ini juga memerlukan analisis gelombang gravitasi yang dihasilkan untuk gagasan jarak - yang keduanya dapat bergabung untuk memberikan pengukuran Konstan Hubble yang harus paling akurat.
Misteri zaman HD 140283 mengarah pada sesuatu yang lebih besar dan lebih kompleks secara ilmiah, mengubah pemahaman tentang bagaimana alam semesta bekerja.
"Penjelasan yang paling mungkin untuk paradoks adalah beberapa efek pengamatan yang diabaikan dan / atau sesuatu yang hilang dari pemahaman kita tentang dinamika ekspansi kosmik," kata Matthews. Apa itu "sesuatu" itu, pasti membuat para astronom tertantang untuk beberapa waktu.
Sumber daya tambahan:
