Come può una stella essere più vecchia dell’universo?

Per più di 100 anni, gli astronomi hanno osservato una curiosa stella situata a circa 190 anni luce dalla Terra nella costellazione della Bilancia. Viaggia rapidamente attraverso il cielo a 800.000 mph (1,3 milioni di chilometri all’ora). Ma la cosa più interessante è che HD 140283 – o Matusalemme, come è comunemente noto – è anche una delle stelle più antiche dell’universo.

Nel 2000, gli scienziati hanno cercato di datare la stella utilizzando le osservazioni del satellite Hipparcos dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), che ha stimato un’età di 16 miliardi di anni. Una tale cifra era piuttosto strabiliante e anche piuttosto sconcertante. Come ha sottolineato l’astronomo Howard Bond della Pennsylvania State University, l’età dell’universo – determinata dalle osservazioni del fondo cosmico a microonde – è di 13,8 miliardi di anni. “Era una grave discrepanza”, ha detto.

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Se presa al valore nominale, l’età prevista della stella sollevava un problema importante. Come può una stella essere più vecchia dell’universo? O, al contrario, come poteva l’universo essere più giovane? Era certamente chiaro che Methuselah – chiamato così in riferimento a un patriarca biblico che si dice sia morto all’età di 969 anni, rendendolo il più longevo di tutte le figure della Bibbia – era vecchio, poiché la subgigante povera di metalli è prevalentemente fatta di idrogeno ed elio e contiene pochissimo ferro. La sua composizione significa che la stella deve essere nata prima che il ferro diventasse comune.

Ma più di due miliardi di anni più vecchio del suo ambiente? Sicuramente non è possibile.

Guardando più da vicino l’età di Matusalemme

Bond e i suoi colleghi si sono messi al lavoro per capire se quella cifra iniziale di 16 miliardi fosse accurata o meno. Hanno esaminato 11 serie di osservazioni registrate tra il 2003 e il 2011 dai sensori di guida fine del telescopio spaziale Hubble, che prendono nota delle posizioni, delle distanze e dell’energia prodotta dalle stelle. Acquisendo misure di parallasse, spettroscopia e fotometria, è stato possibile determinare meglio l’età.

“Una delle incertezze con l’età di HD 140283 era la distanza precisa della stella”, ha detto Bond a All About Space. “Era importante ottenere questo risultato perché possiamo determinare meglio la sua luminosità, e da questo la sua età – più luminosa è la luminosità intrinseca, più giovane è la stella. Stavamo cercando l’effetto parallasse, il che significava osservare la stella a sei mesi di distanza per cercare lo spostamento della sua posizione dovuto al movimento orbitale della Terra, che ci dice la distanza.”

C’erano anche incertezze nella modellazione teorica delle stelle, come i tassi esatti delle reazioni nucleari nel nucleo e l’importanza degli elementi che si diffondono verso il basso negli strati esterni, ha detto. Hanno lavorato sull’idea che l’elio residuo si diffonde più in profondità nel nucleo, lasciando meno idrogeno da bruciare tramite fusione nucleare. Con il combustibile utilizzato più velocemente, l’età si abbassa.

“Un altro fattore importante era, tra tutti, la quantità di ossigeno nella stella”, ha detto Bond. HD 140283 aveva un rapporto ossigeno-ferro più alto del previsto e, dato che l’ossigeno non era abbondante nell’universo per alcuni milioni di anni, indicava nuovamente un’età inferiore per la stella.

Bond e i suoi collaboratori hanno stimato l’età di HD 140283 a 14,46 miliardi di anni – una riduzione significativa rispetto ai 16 miliardi precedentemente dichiarati. Questo era comunque più dell’età dell’universo stesso, ma gli scienziati hanno posto un’incertezza residua di 800 milioni di anni, che secondo Bond rende l’età della stella compatibile con l’età dell’universo, anche se non è del tutto perfetta.

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“Come tutte le stime misurate, è soggetta a un errore sia casuale che sistematico”, ha detto il fisico Robert Matthews dell’Aston University di Birmingham, Regno Unito, che non è stato coinvolto nello studio. “La sovrapposizione delle barre di errore dà qualche indicazione sulla probabilità di uno scontro con le determinazioni dell’età cosmologica”, ha detto Matthews. “In altre parole, l’età della stella meglio supportata è in conflitto con quella per l’età derivata dell’universo, e il conflitto può essere risolto solo spingendo le barre di errore ai loro limiti estremi.”

Altri perfezionamenti hanno visto l’età di HD 140283 cadere un po’ di più. Uno studio di follow-up del 2014 ha aggiornato l’età della stella a 14,27 miliardi di anni. “La conclusione raggiunta era che l’età è di circa 14 miliardi di anni e, di nuovo, se si includono tutte le fonti di incertezza – sia nelle misure osservative che nella modellazione teorica – l’errore è di circa 700 o 800 milioni di anni, quindi non c’è conflitto perché 13.8 miliardi di anni si trova all’interno della barra di errore della stella”, ha detto Bond.

Dare un’occhiata più da vicino all’età dell’universo

Per Bond, le somiglianze tra l’età dell’universo e quella di questa vecchia stella vicina – entrambe determinate con diversi metodi di analisi – è “un incredibile risultato scientifico che fornisce prove molto forti per il quadro del Big Bang dell’universo”. Ha detto che il problema dell’età delle stelle più vecchie è molto meno grave di quanto non fosse negli anni ’90, quando le età stellari si avvicinavano a 18 miliardi di anni o, in un caso, a 20 miliardi di anni. “Con le incertezze delle determinazioni, le età sono ora d’accordo”, ha detto Bond.

Tuttavia Matthews ritiene che il problema non sia ancora stato risolto. Gli astronomi a una conferenza internazionale dei migliori cosmologi al Kavli Institute for Theoretical Physics di Santa Barbara, in California, nel luglio 2019 erano perplessi su studi che suggerivano età diverse per l’universo. Stavano guardando le misurazioni di galassie relativamente vicine che suggeriscono che l’universo è più giovane di centinaia di milioni di anni rispetto all’età determinata dal fondo cosmico a microonde.

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In effetti, lungi dall’avere 13,8 miliardi di anni, come stimato dalle misurazioni dettagliate della radiazione cosmica del telescopio spaziale europeo Planck nel 2013, l’universo potrebbe essere più giovane di 11,4 miliardi di anni. Uno degli autori degli studi è il premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland.

Le conclusioni si basano sull’idea di un universo in espansione, come mostrato nel 1929 da Edwin Hubble. Questo è fondamentale per il Big Bang – la comprensione che c’era una volta uno stato di densità calda che è esploso, allungando lo spazio. Indica un punto di partenza che dovrebbe essere misurabile, ma nuove scoperte stanno suggerendo che il tasso di espansione è in realtà circa il 10% più alto di quello suggerito da Planck.

Infatti, il team di Planck ha determinato che il tasso di espansione era di 67,4 km al secondo per megaparsec, ma misurazioni più recenti effettuate sul tasso di espansione dell’universo indicano valori di 73 o 74. Ciò significa che c’è una differenza tra la misurazione di quanto velocemente l’universo si sta espandendo oggi e le previsioni di quanto velocemente dovrebbe espandersi in base alla fisica dell’universo primordiale, ha detto Riess. Ciò sta portando ad una rivalutazione delle teorie accettate, mostrando anche che c’è ancora molto da imparare sulla materia oscura e sull’energia oscura, che si pensa siano dietro questo enigma.

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Un valore più alto per la costante di Hubble indica un’età più breve per l’universo. Una costante di 67,74 km al secondo per megaparsec porterebbe a un’età di 13,8 miliardi di anni, mentre una di 73, o addirittura di 77 come hanno dimostrato alcuni studi, indicherebbe un’età dell’universo non superiore a 12,7 miliardi di anni. È una mancata corrispondenza che suggerisce, ancora una volta, che HD 140283 è più vecchio dell’universo. Da allora è stato anche superato da uno studio del 2019 pubblicato sulla rivista Science che ha proposto una costante di Hubble di 82,4 – suggerendo che l’età dell’universo è solo 11,4 miliardi di anni.

Matthews crede che le risposte si trovino in un maggiore affinamento cosmologico. “Ho il sospetto che i cosmologi osservativi si siano persi qualcosa che crea questo paradosso, piuttosto che gli astrofisici stellari”, ha detto, indicando che le misure delle stelle sono forse più accurate. “Questo non perché i cosmologi siano in qualche modo più sciatti, ma perché la determinazione dell’età dell’universo è soggetta a maggiori e probabilmente più complicate incertezze osservative e teoriche di quella delle stelle.”

Quindi, come faranno gli scienziati a capirlo?

Ma cosa potrebbe far apparire l’universo potenzialmente più giovane di questa particolare stella?

“Ci sono due opzioni, e la storia della scienza suggerisce che in questi casi la realtà è un mix di entrambe”, ha detto Matthews. “In questo caso si tratterebbe di fonti di errore osservativo che non sono state pienamente comprese, più alcune lacune nella teoria della dinamica dell’universo, come la forza dell’energia oscura, che è stata il primo motore dell’espansione cosmica per molti miliardi di anni.”

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Si suggerisce la possibilità che l’attuale “paradosso dell’età” rifletta la variazione temporale dell’energia oscura, e quindi un cambiamento nel tasso di accelerazione – una possibilità che i teorici hanno trovato compatibile con le idee sulla natura fondamentale della gravità, come la cosiddetta teoria degli insiemi causali. Una nuova ricerca sulle onde gravitazionali potrebbe aiutare a risolvere il paradosso, ha detto Matthews.

Per fare questo, gli scienziati guarderebbero le increspature nel tessuto dello spazio e del tempo create da coppie di stelle morte, piuttosto che affidarsi al fondo cosmico a microonde o al monitoraggio di oggetti vicini come le variabili Cefeidi e le supernovae per misurare la costante di Hubble – il primo risultante nella velocità di 67 km al secondo per megaparsec e il secondo in 73.

Il problema è che misurare le onde gravitazionali non è un compito facile, dato che sono state rilevate direttamente solo per la prima volta nel 2015. Ma secondo Stephen Feeney, un astrofisico del Flatiron Institute di New York, una svolta potrebbe essere fatta nel corso del prossimo decennio. L’idea è quella di raccogliere dati dalle collisioni tra coppie di stelle di neutroni utilizzando la luce visibile che questi eventi emettono per capire la velocità che si stanno muovendo rispetto alla Terra. Si tratta anche di analizzare le onde gravitazionali risultanti per avere un’idea della distanza – entrambe le cose possono combinarsi per dare una misura della costante di Hubble che dovrebbe essere la più accurata finora.

Il mistero dell’età di HD 140283 sta portando a qualcosa di più grande e scientificamente più complesso, alterando la comprensione di come funziona l’universo.

“Le spiegazioni più probabili per il paradosso sono alcuni effetti osservativi trascurati e/o qualcosa di grande che manca alla nostra comprensione delle dinamiche dell’espansione cosmica”, ha detto Matthews. Cosa sia esattamente questo “qualcosa”, è sicuro che terrà gli astronomi impegnati per un po’ di tempo.

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