为什么科学家认为恒星 HD140283（玛土撒拉星）比宇宙还要古老？
天文学界常常被一些令人费解的现象所困扰，而HD140283，这颗被昵称为“玛土撒拉星”的巨星，无疑是其中最引人注目的一颗。它的名字来源于《圣经》中寿命极长的人物，而它自身也似乎真的挑战着我们对宇宙年龄的认知。科学家们之所以会认为这颗星星比宇宙本身还要古老，源于对其年龄的精密测定，以及这些测定结果与现有宇宙学模型之间存在的似乎难以弥合的“年龄差”。
一切的开端：对HD140283的观测与年龄测定
HD140283是一颗位于天秤座的、距离我们大约200光年的恒星。它是一颗富含金属元素的“贫金属星”，这意味着它的化学成分与早期宇宙的恒星相似，主要由氢和氦构成，金属（天文意义上的，即比氦更重的元素）含量极低。正是因为其独特的成分，它被认为是一颗非常古老的恒星，是宇宙早期形成的第一批恒星之一，因此成为天文学家研究早期宇宙的重要对象。
科学家们对恒星年龄的测定，主要依赖于对恒星内部核反应过程的理解，以及恒星的光谱分析。恒星就像一个巨大的核聚变反应堆，其能量来源是将氢聚变成氦。这个过程会消耗恒星内部的氢，并逐渐改变恒星的结构和亮度。恒星的演化路径，就像一张“年龄卡”，可以通过观测恒星的温度、亮度、化学成分等信息，对照恒星演化模型，来推算出它的年龄。
对于HD140283，科学家们进行了非常细致的观测，特别是利用哈勃空间望远镜等先进设备，测量了它极其微小的视差（恒星在天空中位置的微小移动，是测量距离的关键），并结合其亮度、温度等参数，通过复杂的恒星演化模型进行推算。
“意外”的年龄：挑战现有宇宙学
一系列的测量和计算结果，让科学家们大跌眼镜。最保守的估计，HD140283的年龄大约在130亿到145亿年之间。而根据目前最被广泛接受的宇宙学模型——λCDM模型（LambdaCDM Model），宇宙大爆炸至今的年龄大约是138亿年。
这里就出现了问题的关键：如果HD140283的年龄真的是145亿年，那么它就比宇宙本身还要年长！ 这在逻辑上是说不通的，因为任何事物都不可能比它的“诞生地”更早存在。
为什么会有这个“年龄差”？
这个“年龄差”让科学家们寝食难安，并引发了一系列的讨论和研究。可能的解释有很多，而且很多都涉及到我们对宇宙学和恒星演化理论的进一步理解。
1. 测量误差的可能性：
视差测量的不确定性： 尽管哈勃望远镜的视差测量已经非常精确，但对于如此遥远的恒星，仍然存在一定的误差范围。如果HD140283的实际视差比测量值略微大一点点，那么它的距离就会近一些，推算出的年龄也会相应减小。
恒星模型的不确定性： 恒星演化模型是基于我们对物理定律的理解构建的，但这些模型并非完美无缺。例如，我们对恒星内部的对流、能量传输等过程的理解可能还不够完善，这些因素都会影响到年龄的计算。特别是，HD140283的化学成分，例如氧含量，与理论模型预期的贫金属星有些许差异，这也会给年龄计算带来不确定性。
光度不确定性： 恒星的亮度是影响年龄计算的重要因素，而测量恒星的绝对光度本身也存在一定的挑战，尤其是在考虑了尘埃吸收等因素之后。
2. 宇宙学模型的局限性：
宇宙年龄的测量本身也存在不确定性： 宇宙的年龄主要是通过测量宇宙膨胀率（哈勃常数）来推算的。而哈勃常数的测量值，在不同的观测方法之间存在一定的“张力”（Hubble Tension），这本身就意味着宇宙年龄的测量存在一定范围的不确定性。如果宇宙实际年龄比我们现在测量的138亿年略大一些，那么HD140283的年龄就可能在宇宙的年龄范围之内。
早期宇宙的物理条件： 我们对宇宙大爆炸后早期几亿年的物理条件，例如暗物质和暗能量的性质，以及早期恒星形成的具体过程，可能还存在未知的细节。这些因素的微小差异，也可能影响到我们对第一批恒星年龄的推算。
3. HD140283本身的特殊性：
“退休”中的恒星？ 有一种理论认为，HD140283可能不是一颗简单的“主序星”，而是已经演化到某个晚期阶段，例如已经开始冷却的“白矮星”阶段，但仍然保留了部分曾经的表面特征。如果恒星演化路径比我们设想的更复杂，那么目前的模型可能无法准确捕捉它的年龄。
“第二次生命”？ 还有一种大胆的设想是，HD140283可能经历了某种“物质吸积”事件，从另一个致密的恒星（如白矮星）那里吸积了物质，从而“重置”了它的演化时钟，让它的年龄看起来比实际要年轻。但这种现象对于这样一颗贫金属星来说，可能性相对较小。
最新的进展和未来的方向
科学家们并没有因为这个“年龄差”就否定现有的宇宙学模型，而是将其视为一个重要的研究契机。他们正在不断优化观测手段，改进恒星演化模型，并积极探索各种可能的解释。
更精确的测量： 随着新一代空间望远镜（如詹姆斯·韦伯空间望远镜）的投入使用，对HD140283以及其他早期宇宙天体的观测将更加精确，届时有望进一步缩小其年龄测定的不确定性。
改进模型： 天文学家们正在努力改进恒星演化模型，特别是对贫金属星的演化过程进行更细致的模拟，以期更好地解释HD140283的观测数据。
交叉验证： 同时，科学家们也在通过其他方法来测量宇宙的年龄，例如利用宇宙微波背景辐射（CMB）的观测数据，以及独立测量哈勃常数。当这些不同方法得到的结果趋于一致时，才能更准确地确定宇宙的年龄。
结论：一个仍在探索的谜团
总而言之，科学家们认为HD140283（玛土撒拉星）可能比宇宙还要古老，并非是一个定论，而是一个基于现有观测数据和理论模型计算得出的“异常”结果。它凸显了我们对宇宙早期历史和恒星演化过程理解的复杂性，并激励着科学家们不断追求更精确的观测和更完善的理论。
与其说HD140283“比宇宙古老”，不如说它是一面镜子，映照出我们知识的边界，提醒我们宇宙的浩瀚和神秘，以及科学探索的永无止境。这个“玛土撒拉之谜”至今仍在被解开，而每一次的深入研究，都可能为我们揭示宇宙更深层的奥秘。
网友意见
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。
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