了不起的物理

45 比宇宙還老的恒星

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宇宙中有一顆恒星,它的年紀號稱比宇宙的年齡還要大,這顆恒星叫瑪土撒拉(Methuselah)。瑪土撒拉是西方神話中一個最年長的族長的名字,傳說活了969歲,所以用他的名字來命名這顆最年長的恒星。

這顆瑪土撒拉恒星的代號是HD140283,是天秤座中的一顆恒星。人類其實已經觀察它100多年了,但在2000年,科學家們計算了它的年紀,發現它居然有160億歲!這就奇怪了,根據觀測,宇宙的年齡也就138億歲左右,怎麽可能出現比宇宙年齡更大的恒星呢?宇宙都不存在的時候,恒星怎麽會存在呢?難道宇宙大爆炸理論錯了嗎?

這個現象其實隻是說明,我們對於宇宙的了解太少了,物理學的理論還有很大的進步空間。首先要知道恒星的年齡是怎麽算出來的,還要考慮一下宇宙的年齡是怎麽算的。恒星的年齡一般來說是根據它的質量、光譜,還有亮度進行計算的。基本上,隻要把恒星的質量確定了,它的光譜就確定了。因為質量確定了,它的引力就確定了,天體引力大小基本隻跟天體的質量有關。引力確定了,它的溫度就確定了。

也許你有這樣的生活經驗,用打氣筒給自行車輪胎打氣,你會發現用力越大,打氣筒就越熱,所以溫度實際上是和壓力成正比的。而一個天體的引力越大,它內部承受的壓力就越大,對應於它的內部溫度就越高。如果我們能確定一個天體的引力大小,我們就能算出它內部的溫度是多少。

一旦溫度確定下來,一顆恒星的核反應模式就確定了,因為溫度越高就能開啟越重的元素的核聚變。一顆恒星越亮,說明它越年輕,因為如果年紀大了的話,核反應消耗的能量也就越多,能量消耗得多就不那麽亮了。根據恒星亮度,再結合恒星的核反應模式,一對比,我們就能推測出一顆恒星的年紀大約是多少了。

就是這麽一通算,科學家們發現這顆恒星居然有160億歲,比宇宙的年紀還大,這當然是不合理的,恒星怎麽可能先於宇宙存在呢?就好像你不可能比你的父母年紀更大一樣。科學家當然沒有放棄,他們不斷細化模型,後來發現這顆恒星的氧含量比較高,這說明它其實沒那麽老,不可能誕生在宇宙大爆炸之初。宇宙大爆炸之初,宇宙裏的氧含量是不可能那麽高的。大爆炸初期,宇宙裏的物質絕大部分是氫。但即便這麽算,也隻是把這顆恒星的年紀縮小到了144億歲左右,與宇宙138億歲的年紀還差6億歲左右。這是誤差嗎?其實我們還應當檢討一下,宇宙138億歲的年齡是怎麽來的。

簡單來說,宇宙的年齡是通過宇宙微波背景輻射以及哈勃定律算出來的,前文已經討論過了。但我們計算宇宙年齡的模型也是個比較粗放的模型,它並不精確,不清楚的東西其實還有很多。比如,宇宙膨脹的規律可以由哈勃定律描述,哈勃定律中的哈勃常數代表了宇宙膨脹速度的快慢,而哈勃常數隻能通過不斷觀測,讓它更精確。除此之外,我們假設了哈勃常數是不隨時間而變化的,但這隻是假設,在大的時間尺度下,哈勃常數本身會不會變化,我們其實並不清楚。

2013年又出了一件事,讓人更加絕望。普朗克望遠鏡換了一種方法,測算出來宇宙也就114億歲左右,也就是瑪土撒拉星比宇宙還大30億歲,這就更離譜了。一般碰到這種情況,量子力學就要登場了,根據最新的但未被證實的軸子理論的計算,宇宙的膨脹規律也許並非我們想象的那樣均勻,宇宙不同時期的時間尺度有可能是不一樣的。比如,我們現在的一年可能等於130億年前的10年、100年、1000年,這樣就能解釋這顆天體看上去為什麽那麽老了。有可能這顆恒星的頭50億歲隻相當於我們當今的500萬歲,這樣的話,以現在的標準去計算,瑪土撒拉其實也就100億歲左右。

總之這個現象告訴我們,我們對宇宙的了解其實還很少,因為我們的觀測能力有限。宇宙那麽大,我們有很多關於宇宙的理論是建立在一些基本假設之上的,很多基本假設都還是假設,沒有被充分驗證過,出現這種情況並不奇怪。並且宇宙裏有那麽多恒星,我們不可能都觀察一遍,我們隻發現了這一顆老年恒星,也許這樣的恒星還有很多,隻是我們還沒有去看、沒有去算。

但這樣的“怪事”出現,恰恰對科學研究是有益的,它們其實在幫助我們不斷細化模型,幫助我們不斷重新認識宇宙。