你怎麼比宇宙還要老！

嚴重超齡的恆星之謎

linjunJR ・2020/03/06 ・2310字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 530  ・七年級

不過，先等一下。

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修但幾勒，好像有哪裡怪怪的！圖／Meme 梗圖倉庫

你現在可以回去翻翻高中課本，上面應該會寫到：

「目前推測宇宙年齡約 140 億年。」但是，這根本就不合理啊！

宇宙裡的星星怎麼可能比宇宙本身還要老呢？

難道它在大爆炸之前就已經存在了？

年齡不是問題，先告訴我距離

要釐清這個謎團，必須先知道恆星的年齡該如何判定。

年齡判斷守則第一條：

確認距離才能決定年齡。

我們都知道，越年輕的恆星越明亮，

但遙遠的恆星從地球上看起來會比較暗。

掌握恆星跟地球之間的距離，才能回推恆星實際上發出的光芒強度，

並進一步得知恆星年齡。

可是，距離的測量並非易事。

當你在高速公路上往車窗外看，

較遙遠的山脈或高樓會以相對緩慢的速度後退。

同樣的道理，當地球在繞日軌道上公轉，

你也能看到遙遠的星體悄悄地移動。

理論上，由於我們已經清楚繞日軌道的大小，

因此只要比較某顆星在不同晚上的位置變化，

就能推算出它跟地球的距離。然而，

大部分恆星距離我們實在太遠，移動的幅度往往極為微小，

因此這項測量實際上並不容易。

時隔半年，地球公轉到太陽的另一側，可觀測到恆星在不同的位置。理論上，我們能從恆星移動的距離推知它與地球的距離。圖／NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

賓州大學的天文學家 Howard Bond

和研究團隊重新檢視哈伯太空望遠鏡在 2003 到 2011 年間的觀測數據，

想要參透這顆恆星的年齡之謎。

Bond 提到：「HD 140283 的精確距離是推算年齡時的不確定因素之一。」

而除了距離之外，他們也重新考慮恆星核融合的理論模型。

團隊假設外層的氦氣會向中心擴散，導致可作為燃料的氫氣減少。

如此一來，恆星融合並老化的速度更快，反推回去的年齡應該要更小。

他們也發現 HD 140283 中的氧氣量高出預期，

而氧元素要在大爆炸後幾百萬年才出現，

這個線索再度顯示了恆星應該比原先的預估要來得年輕。

他們最終在 2014 年估計 HD 140283 的真實年齡大約是 142.7 億年，

誤差正負 8 億年。也就是說，就算已經重新考慮了那麼多因素，

還是得有頗大的測量誤差才能讓這顆恆星低於宇宙年齡。

那麼反過來想，會不會 138 億年這個數字也該被重新檢視一下？

宇宙到底有多老？

答案原來會不斷變動

宇宙到底有多老？這個問題的答案其實隨著最新的觀測而不斷變動。

藉由觀測大爆炸殘留下來的熱輻射，可以回推宇宙膨脹的程度，

以及相對應的年齡。普朗克太空望遠鏡在 2013 年利用這種方法，

得出了 138 億年，也就是我們目前熟知的標準答案。

天文物理學家哈伯曾在 1929 年提出「宇宙膨脹說」，

並宣稱我們在宇宙中的鄰居們正持續地遠離地球，速度正比於其與地球的距離。

因此，另一種幫宇宙測齡的方法，就是透過星體的距離和遠離地球的速度，

來推算大爆炸的時間點。

近期的觀測結果指出：宇宙的年齡大約 127 億年，

另一則研究得到的結果則僅僅只有 114 億年。

這或許表示我們目前對早期宇宙和膨脹理論的了解仍不夠完備，

而許多科學家認為可能是暗物質或暗能量在其中搞鬼。

不過別的先不談。我們的難題還是懸而未決，

HD 140283依舊嚴重「超齡」，而且現在情況似乎更不樂觀。

年齡之謎難道無解？

等重力波為我們解答吧！

究竟是觀測有誤差，導致 HD 140283 年齡被高估；

還是宇宙學理論尚未完整，宇宙其實比想像中更老？

「過往科學發展的經驗告訴我們，應該是兩者皆有」，

英國阿斯頓大學的物理學家 Robert Matthews 提供了他的預測。

他認為，暗能量的強度隨著時間而有所消長，膨脹速度也因此忽快忽慢。

要驗證這個理論，可能需要重力波的幫忙。

所謂重力波，是兩個巨大的質量互相繞行所產生的時空漣漪，

從它的頻率能夠計算出兩個質量的大小，以及撞擊將釋放的能量多寡。

當重力波橫跨遙遠的宇宙，這股能量會隨著距離衰減。

於是我們便可以從地球上觀測到的重力波能量，反推出重力波源和我們的距離。

只要有距離和速度，就能建構哈伯定律，推論出宇宙的年齡。速度的部分可以交給可見光。我們知道消防車的警笛聲在駛離時會逐漸「降 key」，而光線也是一樣的道理。當光源遠離我們，波長會被拉長，顏色會偏向紅色，其程度和光源的速度有關。因此，利用撞擊發出的可見光，便能推測星體遠離我們的速度。

宇宙初期恆星形成的概念圖示。圖／Wise, Abel, Kaehler (KIPAC/SLAC))

儘管愛因斯坦的廣義相對論中早已預測重力波的存在，它卻一直到 2015 年才首次現形，顯示其觀測的困難。不過，在未來的幾年內，科學家計畫觀測兩顆中子星的撞擊，有機會在重力波觀測上獲得重大的突破。屆時可能會讓科學家對哈伯定律和宇宙的年齡有全新的看法。

如此看來，「超齡星星」的謎團大概還會讓天文學家再頭痛一陣子，不過也有望為觀測技術和宇宙學理論帶來嶄新的發展。

參考資料：

• 本文編譯自 David Crookes 所撰寫之科普報導 How Can a Star Be Older Than the Universe?，刊載於 Live Science ( Jan 31, 2020 )

 https://pansci.asia/archives/181380

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