玛土撒拉星真的比宇宙更古老吗？

自从人类开始思考宇宙以来，我们就对它的浩瀚感到惊讶。我们的宇宙是无限的吗？它是永恒的吗？

或者它是在某个有限的时间点出现的？

在20世纪和21世纪，这些存在主义问题相继进入科学领域，现在我们已经找到了最好的答案。

截至今天，即 2024 年，我们可以自信地说，我们确实知道宇宙的年龄：138 亿年，从热大爆炸开始倒计时。如果我们能回到过去，我们会发现我们所知道的宇宙一开始是非常不同的。现代恒星和星系是由较小质量的一系列引力合并产生的，这些较小质量本身是由更年轻、更纯净的恒星组成的。最早的时候，没有恒星，没有星系，更没有中性原子，没有稳定的原子核，可以追溯到热大爆炸。如今，研究早期宇宙的天文学家和天体物理学家可以自信地断言其年龄，不确定性不超过 1%：这是一项了不起的成就。

在仙女座星系中，最古老的恒星个体存在于星系的光环中。然而，球状星团和随机场恒星可能是整个宇宙中最古老的恒星；由于当前数据的限制，测量单颗恒星并可靠地确定其年龄仍然是天文学家尚未能够解决的挑战。

然而宇宙历史还有另一部分：天文学，特别是对恒星的天文学研究。如果你了解恒星的工作原理，那么只需观察我们所看到的恒星的物理特性，我们就可以确定它们的年龄并知道它们一定是何时诞生的。尽管明星随着年龄的增长会经历许多变化，包括以下方面的变化：

- 半径，

- 光度，

- 和温度，

只有两个主要属性决定恒星的整体寿命：质量和金属丰度，后者表明恒星由比氢和氦重的元素组成。

迄今为止，我们发现的最古老的恒星几乎是纯净的，几乎 100% 由氢和氦组成，年龄可能超过 130 亿年。奇怪的是，目前最古老的恒星，即所谓的玛士撒拉星，估计年龄有 145 亿年。一颗恒星怎么可能比宇宙本身还要古老？不能。这就是可能发生的情况。

向后测量时间和距离（“今天”的左侧）可以告诉我们宇宙在遥远的未来将如何演化和加速/减速。通过将膨胀率与宇宙的物质和能量含量联系起来并测量膨胀率，我们可以获得自热大爆炸开始以来经过的时间的估计。20 世纪 90 年代末的超新星数据是第一组数据，表明我们生活在一个充满暗能量的宇宙，而不是一个以物质和辐射为主的宇宙。

太空时代

我们用来确定宇宙年龄的宇宙方法实际上是所有方法中最强大的，因为它同样适用于我们所知的宇宙内的所有观察者。这种方法可以追溯到 20 年代，当时宇宙膨胀的第一个证据被发现。在物理学中，当您可以发现控制系统的方程时，即 方程告诉您系统如何随时间演变，那么您只需知道该系统在任何给定时间点正在做什么，并且您可以根据需要追踪其过去和未来的发展。只要物理定律和系统内容保持不变，您就会得到正确的答案。

在天体物理学和宇宙学中，控制膨胀宇宙的规则来自于一个模型，该模型平均来说在所有地方和所有方向上都充满了相同数量的“物质”。我们称其为同质（即各处相同）和各向同性（即所有方向相同）的宇宙。你得到的方程被称为弗里德曼方程（以亚历山大·弗里德曼的名字命名，他首先导出了这些方程），它们已经存在了整整 102 年：自 1922 年以来。

这些方程告诉您，充满“物质”的宇宙不能保持静态和不变，而必须膨胀或收缩。此外，膨胀（或收缩）速率随时间变化的方式仅取决于两件事：

- 在任何给定时间，例如今天，该速度有多高，

- 以及在特定时刻你的宇宙到底充满了什么。

弗里德曼的第一个方程描述了左侧哈勃膨胀率的平方，它控制着时空的演化。右侧包括所有不同形式的物质和能量，以及空间曲率（后一个术语），它决定了宇宙未来将如何演化。该方程被称为宇宙学中最重要的方程，由弗里德曼于 1922 年推导出现代形式。

在宇宙学作为一门科学的早期，人们开玩笑说“宇宙学是对两个数字的探索”，这两个数字就是今天的膨胀率，也是衡量膨胀率如何随时间变化的指标。这是基于这样一个事实：如果弗里德曼方程描述了我们的宇宙，那么只需进行测量即可：

- 今天的膨胀率是多少（我们称为哈勃参数），

- 以及膨胀率如何随时间变化（历史上称为减速参数，现在这是一个可怕的名字，因为该参数实际上是负数；宇宙正在加速，而不是减速），

那么我们就可以准确地确定宇宙是由什么组成的：不仅是现在，而且是宇宙历史上的任何时刻。

换句话说，我们可以找出宇宙中有多少以正常物质的形式存在，有多少以暗物质的形式存在，有多少辐射，有多少中微子，有多少暗能量。 ， 等等。这是一种非常方便和直接的方法，因为这种测量直接反映了弗里德曼方程的两侧：一侧是宇宙的膨胀以及它如何随时间变化，而一侧是宇宙中所有物体的物质和能量密度。宇宙的另一边。

基本上，通过测量方程的一侧，您就会知道另一侧应该是什么。然后，你可以利用你所知道的信息，将其推断回宇宙非常热、稠密且很小的时候，对应于热大爆炸的最早时刻。从现在到彼时，您返回所需的时间将告诉您宇宙的年龄。

Pantheon+ 分析以及重子声振荡 (BAO) 和宇宙微波背景 (CMB) 数据的综合约束，对宇宙中物质形式和暗能量（或 Lambda）形式的部分进行约束。根据我们的最佳数据，我们的宇宙由 33.8% 的物质和 66.2% 的暗能量组成，不确定性仅为 1.8%。所有与数据一致的宇宙学都给出了宇宙年龄在 13.6 至 140 亿年之间。

然而，在实践中，我们不会简单地采用直接指向答案的证据并宣布问题已解决。如果我们这样做，我们将受到任何统计和系统错误的影响，这些错误可能会扭曲任何一类测量的结果。为了改进我们的答案，我们使用了多种证据，以便它们相互补充。通过利用全方位的高质量、可靠的证据，我们可以尝试创建一个连贯的宇宙图景，其中包括我们所知道的一切。其中一些证据特别具有启发性。

大尺度宇宙的结构告诉我们物质的总量（约临界密度的30%），以及正常物质与暗物质的比例（约1比5）。宇宙微波背景的波动将宇宙的膨胀率与宇宙中的各种成分联系起来，包括总能量密度，它应该是临界密度的~100%。对单个物体（例如 Ia 型超新星）在不同距离和红移处的直接测量可以告诉我们今天的膨胀率是多少以及该膨胀率随时间的变化情况。我们最终得到一张图片，其中宇宙今天似乎以约 70 km/s/Mpc 的速度膨胀，由 68% 暗能量、27% 暗物质、4.9% 正常物质、约 0. 1% 组成中微子和不到 0.01% 的其他物质，

四种不同的宇宙学导致了宇宙微波背景相同的波动模式，但独立测试可以准确测量其中一个参数，打破简并性。在所有这些情况下，为了拟合数据，正常物质与暗物质的比率应该与我们在宇宙晚期看到的五分之一相同，但当前宇宙的膨胀率在所有四个模型之间存在显着差异。

当我们把这些不同的部分放在一起时，包括今天的膨胀率和宇宙的已知组成部分，我们得到了宇宙年龄的明确答案：138亿年。（这一估计取自普朗克数据，现代膨胀率约为 67 km/s/Mpc，取代了先前给出稍高膨胀率的 WMAP 参数，宇宙具有稍多的暗能量和略少的暗物质，从而导致它们对宇宙年龄的早期、不太准确的估计为 137 亿年）。

然而，您可能会惊讶地发现这些参数都是相互关联的。例如，如果您听说过哈勃电压，那么您就会知道今天不同的团队使用不同的方法获得了不同的膨胀率。如果膨胀率接近~73 km/s/Mpc，正如使用后期测量（例如超新星）的团体所偏好的那样，而不是通过早期方法获得的~67 km/s/Mpc（例如宇宙微波背景和/或重子声振荡），这意味着宇宙的膨胀速度比首选值建议的速度快约 9%。

但这仍然不会使宇宙的年龄改变 9%；为了满足其他限制，您需要相应地更改宇宙的内容。如今，一个更快膨胀的宇宙需要更多的暗能量和更少的总物质，这将使宇宙的年龄减少约 1%，而不是 9%。尽管许多不同的参数集可以拟合来自宇宙微波背景等的数据，但大多数模型需要不切实际的参数值，例如太低的膨胀率或大量的空间曲率，这与观测结果相矛盾。

疏散星团 NGC 290，由哈勃拍摄。这里拍摄的这些恒星只能拥有它们所拥有的属性、元素和行星（以及生命的潜力），因为所有恒星在它们被创造之前就已经死亡了。它是一个相对年轻的疏散星团，其外观上主宰着大量明亮的蓝色恒星就证明了这一点。然而，疏散星团的寿命永远不会像宇宙的年龄那么长。

明星时代

您可能会同意以下说法：“如果宇宙本身已有 138 亿年的历史，那么我们不应在其中找到年龄超过 138 亿年的恒星。”

这种说法的问题在于，无论我们测量得多么好，准确确定宇宙中任何一颗恒星的年龄都是非常非常困难的。当然，我们知道关于恒星的很多事情：它们的属性是什么，它们的核心何时首次点燃核聚变，它们的生命周期如何取决于它们诞生时所含元素的比例，它们的总寿命是多少以及这些持续时间如何取决于它们的初始质量，以及恒星在不同阶段燃烧核燃料时如何演化。如果我们能够足够准确地测量一颗恒星（我们可以对银河系几千光年内的大多数恒星进行测量），那么我们就可以将其生命周期追溯到它的诞生。

至少平均而言，这是事实。但只有当且仅当这颗恒星在其一生中没有与另一个大质量物体发生重大相互作用或合并时，这些陈述才是正确的。恒星和恒星尸体可以对彼此做出相当严厉的行为。他们可以剥离恒星的物质，使其看起来比实际情况更先进或更不先进。几颗恒星可能会合并在一起，使新恒星看起来比实际年龄更年轻。恒星的相互作用，包括与星际介质的相互作用，可以改变我们在它们大部分生命中看到的元素比例。换句话说，我们拥有的一颗恒星的“快照”可能无法反映该恒星存在数十亿年的历史。

球状星团 Messier 69 非常不寻常，因为它非常古老，有迹象表明它的形成仅占当前宇宙年龄（约 130 亿年前）的 5%，并且金属含量非常高，金属丰度为 22%我们的太阳。较亮的恒星处于红巨星阶段，它们的核心已经耗尽了燃料，而一些蓝色恒星是合并的结果：蓝色落后者。

为了进行更准确的测量，我们需要研究我们能找到的最古老的恒星团，而不是研究古老的单个恒星：它们位于球状星团中。

球状星团存在于每个主要星系及其周围。有些包含数百颗恒星（例如我们的银河系），有些则包含超过 10,000 颗恒星，例如处女座星团中的 M87。每个球状星团都是许多恒星的集合，从几万到数百万，其中的每颗恒星都有一种颜色和光度：对于我们银河系中的恒星和银河系之外的许多恒星来说，这两种属性都很容易测量。当我们绘制球状星团中每颗恒星的颜色-光度图时，我们会得到一条特殊形状的曲线，从右下角（红色和低光度）到左上角（蓝色和高光度），其中称为赫兹普龙图或颜色亮度图。

为什么颜色-亮度图中的曲线如此有价值？因为随着星团中恒星年龄的增长，质量更大、更蓝、更亮的恒星会离开这条曲线，向右上角移动。当恒星在其核心燃烧核燃料时，核心会收缩、升温，恒星开始膨胀，首先变成亚巨星，然后变成红巨星。自星团诞生以来经过的时间越长，这条曲线的蓝色、高亮度部分变得越“空”。

当我们观察我们看到的球状星团时，我们发现它们的年龄范围很广，但最多只有12亿年到13亿年。许多球状星团都属于这个年龄范围，但重要的是：它们中没有一个更老。

恒星的生命周期可以通过此处显示的颜色-亮度图来理解。随着恒星群体的老化，它们会从图表中“脱离”，从而使我们能够确定星团的年龄。最古老的球状星团，例如右边显示的非常古老的星团，已经有超过 130 亿年的历史，但许多球状星团还展示了与旧星团并排的第二个更年轻的恒星群：证据表明它们曾经拥有不止一颗恒星恒星形成爆发。

个人明星

当我们谈论整个宇宙时，我们必须认识到我们的方法仅在某些条件下有效。我们必须假设宇宙过去没有发生重大的、突然的变化或转变：不同类型的能量在宇宙历史的某个时刻没有自发变化。同样，对于恒星，我们必须记住，我们只能得到恒星在我们观察的时期内行为的快照：数年、数十年或最多几个世纪。但恒星通常寿命数十亿年，这意味着我们只能在宇宙时刻才能看到它们，而且许多单独的恒星可能早在人类看到它们之前就遭受了暴力和/或污染事件的影响。

2007年，我们测量到了HE 1523-0901恒星，该恒星的质量约为太阳的80%，铁含量仅为太阳的0.1%，并根据其放射性元素确定其年龄为132亿岁。2015年，银河系中心附近的一组九颗恒星的年代可追溯到135亿年前：距大爆炸仅3亿年，银河系本身最初形成之前。这些古代遗迹的共同发现者路易丝·豪斯说：“这些恒星在银河系形成之前形成，而银河系在它们周围形成。” 事实上，这九颗恒星中的一颗的铁含量还不到太阳的 0.001%；这正是 JWST 希望找到更多的恒星类型和恒星族类别。

SDSS J102915+172927 位于距银河系晕约 4,140 光年处，是一颗古老的恒星，仅含有太阳重元素的 1/20,000，年龄应超过 130 亿年：是宇宙中最古老的恒星之一，与太阳相似，但甚至比 HE 1523-0901 更缺乏金属。

玛土撒拉星本身

但最令人困惑的恒星是 HD 140283，非正式昵称是玛土撒拉之星。在仅 190 光年的距离处，我们可以很好地测量它的许多可观测特性，包括：

- 光度，

- 表面温度，

- 和组成。

我们还看到它不再是一颗主序星（在颜色-光度图的“蛇”曲线上），而是刚刚开始在其成为红巨星的必然道路上演变成亚巨星阶段。这些信息结合起来，为我们提供了对恒星年龄的严格估计，结果至少可以说是令人震惊的：144.6 亿年。然而，它的一些其他特性，例如 0.4% 的太阳铁含量，表明它很古老，但并不完全纯净。然而，当谈到这颗恒星的年龄时，我们不经常讨论的是一个关键信息：它的年龄约为 8 亿年，存在很大的不确定性，而且这只是在 1 西格玛水平上（即68% 的确定性）。

这个值仍然使玛土撒拉恒星的年龄处于令人不安的早期阶段，并暗示恒星年龄和宇宙年龄之间存在潜在的冲突。然而，几乎有20%的可能性，恒星的真实年龄小于宇宙的年龄，这意味着不存在矛盾。确定一个值是一回事，但将不确定性降低到您确信所获得的值实际上是准确的程度又是另一回事。

这张来自数字化巡天的图像显示了我们银河系中已知最古老的恒星。这颗古老的恒星，注册号为HD 140283，距离我们超过190光年。哈勃太空望远镜（NASA/ESA）被用来减少测量恒星距离的不确定性，这有助于完善更精确的145亿年年龄的计算（具有正负8亿年的显着不确定性） 。这可以与 138 亿岁的宇宙相一致（存在不确定性），但不能与一个年轻得多的宇宙相一致。

主要的教训是：我们永远不应该过分重视测量单个恒星的年龄。我们必须认识到，任何此类测量都伴随着很大的不确定性，而这些不确定性又因我们对这些恒星系统历史的无知而变得更加复杂。例如，所谓的玛土撒拉恒星在很多方面都可能很不寻常，因为我们必须得到它的估计年龄约为 145 亿年：比宇宙的年龄大约早 7 亿年。但这个估计伴随着近10亿年的巨大不确定性，这意味着对这些事实的最简单解释是玛土撒拉星是一颗古老的恒星，但由于无法追溯的历史事件而显得比实际年龄更老。 保持。

从单个恒星和恒星群体到不断膨胀的宇宙的一般特性，我们可以得到对宇宙年龄的非常一致的估计：138 亿年。如果我们试图让宇宙变老或年轻几亿年，我们将面临与数据之间难以克服的矛盾。较年轻的宇宙无法解释最古老的球状星团；更古老的宇宙无法解释为什么没有更古老的球状星团。与此同时，一个年轻或古老的宇宙无法解释我们在宇宙微波背景中看到的波动。简而言之，我们对于宇宙年龄的判断没有太多回旋余地。

但对于一颗恒星的年龄很容易犯错误。对于科学家来说，尝试找出我们当前理解的各个方面的弱点是极其重要的。这有助于我们确保当前理解宇宙的框架是健全的，也有助于我们探索替代方案及其局限性。我们可以尝试创造一个明显更老或更年轻的宇宙，但我们的宇宙信号和对恒星种群的测量都表明，我们所能允许的只有少量的回旋空间——也许~1%。然而，对于个别恒星来说，其年龄估计的误差往往是巨大的。玛土撒拉之星十有八九不会对宇宙的年龄构成悖论或神秘，而是显示了仅从一种观察得出宇宙结论的局限性。