为什么科学家认为恒星 HD140283（玛土撒拉星）比宇宙还要古老？ 第1页

人类观测位于天秤座的HD140283已经有超过一个世纪了。这颗运行速度为每小时130万公里的恒星是宇宙中已知最古老的恒星。

2000年，根据欧洲天文局依巴谷卫星测量的数据计算出这颗恒星有160亿年的寿命。这个数字对于文学家来说是个巨大的问题，因为根据微波背景辐射计算出的宇宙寿命为138亿年。这就是天文学里所谓的“年龄悖论”。

这颗恒星因此被冠以圣经中最长寿，活到969岁的玛土撒拉的名字。它基本上由氢和氦组成，内部几乎没有铁，这和它的高寿吻合，在这颗恒星形成时，宇宙中的铁还是一种稀有物质。但一颗恒星怎么可能比整个宇宙还要长寿20亿年？

宾夕法尼亚州立大学的天文学家霍华德·邦德和他的研究团队专门深入探究了这个问题。他们先后仔细梳理了哈勃太空望远镜在2003到2011年间收集的数据，其中记录了大量恒星的位置、距离和能量。通过考证各种不同的科学测量，他们希望能更准确地界定玛土撒拉的年龄。

误差之一可能来源于该恒星的精确距离，天文学家利用距离和恒星的视觉亮度计算出恒星的实际亮度，并由此估算恒星的年龄。实际亮度越亮，则恒星越年轻。而恒星的距离则是由视差测量的，即六个月间地球在公转轨道的两端时观测到的恒星位置的微小变化估算的。

误差之二来自于恒星的理论模型，如内核核反应的精确速度，以及恒星外层各种元素向内扩散的重要性等等。邦德的团队认为恒星外层氦向内核扩散的程度比之前估计的更深，这么一来核聚变能够燃烧的氢也就比估计的更少，恒星的年龄也会比估计的更小。

误差之三来自于氧的富含量，玛土撒拉中氧铁比例比预测的高，在宇宙形成后的前几百万年里，氧同样是稀有元素，因此这可能表示玛土撒拉比人们预计的更年轻。

邦德团队最后得出的估计年龄是144.6亿年，比之前的160亿年要显著减少，但依然比宇宙年龄更大。不过这个估计值有上下8亿年的误差，所以邦德认为这和宇宙的寿命并不冲突。

但是，英国伯明翰阿斯顿大学的物理学家罗伯特·马修斯提出了反对意见，他指出两个带有误差的测量之间的交集大小代表这两个测量一致的概率。换句话说，玛土撒拉的年龄估计下限刚好赶在宇宙寿命估计的上限以内并不是一个令人满意的结果，这只有在极小的概率下才会发生。

邦德的团队于是在2014年又发表了进一步的研究，将玛土撒拉的年龄估计缩小到了142.7亿加减7到8亿年的程度。他对此表示满意，并提出用两种不同的分析方法分别算出宇宙年龄和宇宙中最古老恒星年龄如此吻合实际上是对大爆炸理论的一种强烈肯定。

但马修斯觉得这个问题并没有完全解决。实际上，2019年7月在美国加州圣巴巴拉矩形的国际宇宙学家大会上，宇宙年龄到底多少的问题又再次浮上台面。包括2011年诺贝尔奖得主亚当·里斯在内的天文学家在观测相对靠近我们的星系时，发现宇宙的年龄可能比微波背景辐射预测的要小几亿年。

宇宙年龄这个概念的本质就来源于宇宙膨胀这一现象，而这份最新研究显示宇宙膨胀的速度比之前估计的要快上约10%。2013年，通过欧洲普朗克太空望远镜观测微波背景辐射的数据，科学家算出宇宙年龄为138亿年这个现在广为流传的数字，当时得出的宇宙膨胀速度为每秒每兆秒差距67.4公里。但最近的测量显示这个数值应该在73、74左右。根据里斯所说，这表示今天的宇宙膨胀速度测量和基于早期宇宙的物理学预测不符，现在接受的理论需要修正，同时也清楚暴露出人类对于暗物质和暗能量所知的不足。

宇宙膨胀速度，即哈勃常数的大小和宇宙年龄是直接挂钩的，每秒每兆秒差距67.4公里对应于138亿年，每秒每兆秒差距73公里则对应于127亿年，2019年之后的最新估计甚至将该常数提到了82.4，这么一来宇宙只有区区114亿年历史，如此一来，玛土撒拉的年龄问题又无所安置了。

马修斯对此是这么说的：“宇宙学家和恒星天体物理学家之间我倾向于认为宇宙学家弄错了，不是因为宇宙学家粗心，而是估算宇宙年龄需要的观测和理论比估算恒星年龄更为复杂。”

他认为宇宙年龄估计的错误来源有两种可能：一是存在目前还没有完全理解的观察误差，二是宇宙演化模型的错误。根据科学史的经验，真相往往是两者兼具。他认为暗能量可能在时间尺度上有变化，之前物理学家曾提出过这一可能，并指出这可能和量子引力中的因果集理论相吻合。如果真的是这样，最新的引力波研究也许可以解决“年龄悖论”。

当然，引力波第一次直接测量在2015，现在还存在很多困难。但是天体物理学家认为接下去十年里我们将会获得突破。目前有一个想法就是收集撞击的中子星对发射的可见光来计算其到达地球用了多久，同时计算其引力波，两者结合可以估算出哈勃常数，这提供了准确性超过微波背景辐射（算出每秒每兆秒差距67.4公里）和观测造父变星及超新星（算出每秒每兆秒差距73公里）之外的一条新路。

最终，玛土撒拉年龄之谜可能会让我们更好理解宇宙的原理。迷底也许是一些被人忽略的引力效应，也许是对宇宙膨胀机制的更好理解。这也是天文学家未来几年内致力解决的一个挑战。