你怎么比宇宙还要老！严重超龄的恒星之谜

玛土撒拉（Methuselah）是圣经故事中最长寿的人，享寿969岁，堪称世界级人瑞;玛土撒拉同时也是宇宙中最老的星星，在HD星表中的编号是HD 140283。 根据欧洲太空总署的观测，它已经高龄160亿岁了。

正如一般的高龄恒星，玛土撒拉主要由氢气与氦气组成，缺乏金属成分，因为较重的金属元素在早期宇宙中非常少见。

在此为各位观众隆重介绍，宇宙中最老的星星──玛土撒拉。 图/© Digitized Sky Survey （DSS）， STScI/AURA，Palomar/Caltech， and UKSTU/AAO

不过，先等一下。

你现在可以回去翻翻高中课本，上面应该会写到：「目前推测宇宙年龄约140亿年。」 但是，这根本就不合理啊！ 宇宙里的星星怎么可能比宇宙本身还要老呢？ 难道它在大爆炸之前就已经存在了？

年龄不是问题，先告诉我距离

玛土撒拉 （HD 140283） 位于红色十字处。 图/A. Fujii and Z. Levay (STScI)

要厘清这个谜团，必须先知道恒星的年龄该如何判定。 年龄判断守则第一条：确认距离才能决定年龄。

我们都知道，越年轻的恒星越明亮，但遥远的恒星从地球上看起来会比较暗。 掌握恒星跟地球之间的距离，才能回推恒星实际上发出的光芒强度，并进一步得知恒星年龄。

可是，距离的测量并非易事。

当你在高速公路上往车窗外看，较遥远的山脉或高楼会以相对缓慢的速度后退。 同样的道理，当地球在绕日轨道上公转，你也能看到遥远的星体悄悄地移动。

理论上，由于我们已经清楚绕日轨道的大小，因此只要比较某颗星在不同晚上的位置变化，就能推算出它跟地球的距离。 然而，大部分恒星距离我们实在太远，移动的幅度往往极为微小，因此这项测量实际上并不容易。

时隔半年，地球公转到太阳的另一侧，可观测到恒星在不同的位置。 理论上，我们能从恒星移动的距离推知它与地球的距离。 图/NASA， ESA， and A. Feild （STScI）

宾州大学的天文学家 Howard Bond 和研究团队重新检视哈伯太空望远镜在 2003 到 2011 年间的观测数据，想要参透这颗恒星的年龄之谜。

Bond 提到：「HD 140283 的精确距离是推算年龄时的不确定因素之一。」 而除了距离之外，他们也重新考虑恒星核融合的理论模型。 团队假设外层的氦气会向中心扩散，导致可作为燃料的氢气减少。 如此一来，恒星融合并老化的速度更快，反推回去的年龄应该要更小。 他们也发现 HD 140283 中的氧气量高出预期，而氧元素要在大爆炸后几百万年才出现，这个线索再度显示了恒星应该比原先的预估要来得年轻。

他们最终在2014年估计HD 140283的真实年龄大约是142.7亿年，误差正负8亿年。 也就是说，就算已经重新考虑了那么多因素，还是得有颇大的测量误差才能让这颗恒星低于宇宙年龄。

那么反过来想，会不会138亿年这个数字也该被重新检视一下？

宇宙到底有多老？ 答案原来会不断变动

宇宙到底有多老？ 这个问题的答案其实随着最新的观测而不断变动。 藉由观测大爆炸残留下来的热辐射，可以回推宇宙膨胀的程度，以及相对应的年龄。 普朗克太空望远镜在2013年利用这种方法，得出了138亿年，也就是我们目前熟知的标准答案。

天文物理学家哈伯曾在 1929 年提出「宇宙膨胀说」，并宣称我们在宇宙中的邻居们正持续地远离地球，速度正比于其与地球的距离。 因此，另一种帮宇宙测龄的方法，就是透过星体的距离和远离地球的速度，来推算大爆炸的时间点。 近期的观测结果指出：宇宙的年龄大约127亿年，另一则研究得到的结果则仅仅只有114亿年。 这或许表示我们目前对早期宇宙和膨胀理论的了解仍不够完备，而许多科学家认为可能是暗物质或暗能量在其中搞鬼。

不过别的先不谈。 我们的难题还是悬而未决，HD 140283依旧严重超龄，而且现在情况似乎更不乐观。

年龄之谜难道无解？ 等重力波为我们解答吧！

究竟是观测有误差，导致 HD 140283 年龄被高估;还是宇宙学理论尚未完整，宇宙其实比想象中更老？

「过往科学发展的经验告诉我们，应该是两者皆有」，英国阿斯顿大学的物理学家 Robert Matthews 提供了他的预测。 他认为，暗能量的强度随着时间而有所消长，膨胀速度也因此忽快忽慢。 要验证这个理论，可能需要重力波的帮忙。

所谓重力波，是两个巨大的质量互相绕行所产生的时空涟漪，从它的频率能够计算出两个质量的大小，以及撞击将释放的能量多寡。 当重力波横跨遥远的宇宙，这股能量会随着距离衰减。 于是我们便可以从地球上观测到的重力波能量，反推出重力波源和我们的距离。

只要有距离和速度，就能建构哈伯定律，推论出宇宙的年龄。 速度的部分可以交给可见光。 我们知道消防车的警笛声在驶离时会逐渐「降 key」，而光线也是一样的道理。 当光源远离我们，波长会被拉长，颜色会偏向红色，其程度和光源的速度有关。 因此，利用撞击发出的可见光，便能推测星体远离我们的速度。

宇宙初期恒星形成的概念图标。 图/Wise， Abel， Kaehler （KIPAC/SLAC））

尽管爱因斯坦的广义相对论中早已预测重力波的存在，它却一直到 2015 年才首次现形，显示其观测的困难。 不过，在未来的几年内，科学家计划观测两颗中子星的撞击，有机会在重力波观测上获得重大的突破。 届时可能会让科学家对哈伯定律和宇宙的年龄有全新的看法。

如此看来，「超龄星星」的谜团大概还会让天文学家再头痛一阵子，不过也有望为观测技术和宇宙学理论带来崭新的发展。

引用数据 ：本文编译自 David Crookes 所撰写之科普报导How Can a Star Be Older Than the Universe？，刊载于Live Science （ Jan 31， 2020 ）

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。