最伟大的宇宙谜题：天文学家发现比宇宙更古老的恒星

【博科园-科学科普】如果你想了解恒星是如何运作的，你可以观察其中一个的物理性质，并推断它的年龄可知道它什么时候诞生。随着年龄的增长恒星会经历许多变化：恒星的半径、亮度和温度都会随着燃料的燃烧而发生变化。

在仙女座星系中最古老的单个恒星在星系的光晕中被发现。然而球状星团和随机的场星可能被证明包含了宇宙中所有最古老的恒星。图片版权：NASA, ESA and T.M. Brown (STScI)

但一般来说恒星的寿命取决于它的两个性质：即质量和金属丰度，也就是比氢和氦更重的元素的数量。天文学家在宇宙中发现的最古老的恒星几乎都是原始的，其中几乎100%的构成都是由大爆炸遗留下来的氢和氦。它们的年龄超过130亿岁，其中年龄最大的是145亿。然而这是一个大问题，因为宇宙本身只有138亿年的历史（138.17亿岁）。

球状星团欧米茄半人马座的核心是古老恒星中最拥挤的区域之一。虽然这里的恒星有120亿年的历史，但有些恒星的年龄超过了140亿年，这是一个大问题：因为宇宙本身只有138亿年的历史。图片：NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

不能很好地拥有比宇宙本身更古老的恒星，这就意味着在大爆炸发生之前，恒星就已经存在了！然而宇宙大爆炸是宇宙的起源，所有的物质，能量，中微子，光子，反物质，暗物质，甚至暗能量都起源于此。在我们可观测的宇宙中所包含的一切都来自于那个大爆炸事件，我们今天所感知到的一切都可以追溯到那个时代。因此最简单的解释是：宇宙中存在着恒星，必须排除在外。

从大爆炸以来回顾各种不同的距离是不同的。然而如果大爆炸发生在138亿年前，那么最古老的恒星一定不会比那个年龄大（138.17亿岁）。图片版权：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

也有可能我们已经把宇宙的年龄搞错了！我们到达这个数字的方式是在最大尺度上对宇宙进行精确测量，通过查看一系列的特征包括：

1、从大爆炸遗留下来宇宙微波背景辐射的密度和温度不完美，

2、现在的恒星和星系聚集在一起数十亿光年

3、哈勃膨胀率的宇宙结构（哈勃定律）

4、恒星形成和星系演化的历史

还有很多其他的来源，我们已经得到了一个非常一致的宇宙的图像。它由68%的暗能量、27%的暗物质、4.9%的正常物质组成，约0.1%的中微子和0.01%的辐射，大约在138亿年前。年龄的不确定性小于1亿岁（误差），所以即使宇宙年龄稍微小一点也不太可能，但要达到145亿年的时间是非常不可能的。

欧洲航天局的盖亚任务测量了银河系中心附近数亿颗恒星的位置和性质，并发现了一些已知在这个环境中存在的最古老的恒星的证据。图片版权：ESA/Gaia/DPAC

所以这只剩下了一个合理的可能性：也许年龄是错的，我们已经观察了数亿颗恒星的细节，它们在生命周期的各个阶段。我们知道恒星是如何形成的，在什么条件下知道它们是何时以及如何点燃核聚变的，也知道知道氢融合的各个阶段以及它们的效率有多高，知道恒星这一生以及如何识别各种不同质量的恒星的垂死挣扎。简而言之天文学是一门非常强大的科学，尤其是涉及到恒星的时候。一般来说最古老的恒星的质量相对较低(比我们的太阳质量要小)，它的金属含量非常低(除了氢和氦以外的元素)，而且还应该提前对星系本身进行预测。

一组球状星团Terzan 5与银河系的过去有一个独特的联系。难以置信的老恒星可以在球状星团中找到，在我们周围的宇宙中出现了一些最早的恒星形成的遗迹。图片版权：NASA/ESA/Hubble/F. Ferraro

它们中的许多都是球状星团中发现的，它们被证实含有超过120亿颗恒星，在罕见的情况下甚至有130亿年。一代人以前人们声称这些星团的年龄在14到160亿岁之间，在公认的宇宙模型中制造了张力，但是对恒星进化的理解已经使这些数字重新回到了基线上。我们还开发更先进的技术，观察能力有所改善，通过测量不仅碳、氧或含铁量这些恒星，但通过使用放射性衰变的铀和钍丰度与宇宙元素中创建的第一个超新星，我们可以追溯许多单独的恒星。

SDSS J102915+172927是一颗古老的恒星，它包含了太阳所拥有的重元素的1/20000，而且应该超过130亿年。它是宇宙中年龄最大的恒星之一，与1523-0901相比它的金属含量要低得多。图片版权：ESO, Digitized Sky Survey 2

在2007年天文学家测量了编号1523-0901的恒星，它大约是太阳质量的80%，只包含太阳喊铁的0.1%，并且从放射性元素的丰度测量到132亿年。在2015年银河系中心附近的一组九颗恒星的形成时间是在135亿年前形成的，大爆炸之后的3亿年在银河系的形成之前，这些古老的遗迹的共同发现者Louise Howes说：这些恒星在银河系前形成，而星系围绕它们形成，事实上这九颗恒星中有一颗的铁含量不到太阳的0.001%，这正是詹姆斯韦伯太空望远镜将于2018年10月发射时所要寻找的恒星类型和恒星群的类型项目之一。

这是一个数字化的天空测量图像，它是我们银河系中年龄最大的恒星。这颗衰老的恒星被归类为HD 14283，位于190光年之外。nasa/esa哈勃太空望远镜用于缩小恒星距离的测量不确定度，这有助于精确计算一个更精确的年龄——145亿年(正负8亿年)。图片版权：Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

但最让人困惑的是HD 14283被非正式地命名为“玛土撒拉星”。在190光年之外，天文学家可以测量它的光度、表面温度和组成，也可以看到它刚刚开始演变成成为一个巨大的红巨星阶段。这些信息结合起来使天文学家能够得到一个受限制的恒星年龄的值，但结果令人不安，至少可以说144.6亿年。然而它所显示的其他一些特性，比如铁含量为太阳的0.4%，表明它非常古老，但并不完全是最古老的恒星之一。尽管在大约8亿年的时间里存在着不确定性，但这仍然让人很不舒服，并暗示着恒星的年龄和宇宙的年龄之间存在着潜在的冲突。

正如我们今天所知道的银河系在几十亿年里并没有发生什么变化。但是随着恒星年龄的增长，那些质量更大的恒星就会终结它们的生命，而那些质量较低的恒星开始演化成亚巨行星。0.8个太阳质量恒星开始演化，这表明宇宙的年龄有些问题。图片版权：ESO/S. Guisard

现在总是有可能在恒星的过去发生了一些可疑的事情我们今天不知道。它有可能是一颗质量更高的恒星，它的外层剥离了外层物质，从而使恒星的生命周期急剧缩短。很有可能恒星吸收了一些其它的物质，改变了它的重元素含量，扭曲了我们今天的认知。也有可能我们在这些古老的低金属丰度恒星的恒星演化的子大阶段有一个误解。当我们尝试计算最古老的恒星的年龄时这些未知(在某些情况下是未知的)是可能的错误来源。

但是如果这些年龄都正确的话可能会有一个问题，不可能有一个存在于我们宇宙中的恒星，它比宇宙本身更古老。我们对这些恒星的年龄的估算是错误的或我们对宇宙年龄的估算是错误的又或者我们甚至没有考虑的其他东西，都是可能的。

虽然红外线探测通常用于图像尘埃的物体，但在内部它们也非常有用，可以用来突出老而较冷的恒星的特性。银河系中最古老的恒星可能还未被发现。图片版权：NASA, ESA and the Hubble SM4 ERO Team

不管这个结果是什么，这对科学家来说都是一个非常重要且非常有价值的情况。恒星本身年龄应比宇宙年龄更低，而宇宙本身应该是更古老的。这不是我们所看到的绝对确定性创造了一种美丽的“张力”，这很可能是一种非凡的科学进步的征兆：

我们是否能学到关于恒星的新知识以及它们是如何生存、演化和死亡的？

是否能学到关于宇宙年龄的新知识？

或者是否有第三个因素导致了这种误解，我们有机会提高我们对宇宙的科学认识？

最后这是任何一个好奇的人都希望能找到的最伟大的情况。看似不可能的事情可能会被证明是更有价值的东西：一个机会让我们了解宇宙是如何运作到迄今为止未知的领域的。

参考：NASA，ESA，Hubble、ESO等

作者：Ethan Siegel（天体物理学家）