Como pode uma estrela ser mais velha do que o Universo?

Há mais de 100 anos que os astrónomos observam uma curiosa estrela localizada a cerca de 190 anos-luz da Terra na constelação Libra. Ela percorre rapidamente o céu a 800.000 mph (1,3 milhões de quilómetros por hora). Mas mais interessante do que isso, HD 140283 – ou Matusalém como é vulgarmente conhecido – é também uma das estrelas conhecidas mais antigas do universo.

Em 2000, os cientistas procuraram datar a estrela utilizando observações através do satélite Hipparcos da Agência Espacial Europeia (ESA), que estimou uma idade de 16 mil milhões de anos. Este número foi bastante impressionante e também bastante desconcertante. O astrónomo Howard Bond da Universidade Estatal da Pensilvânia salientou que a idade do universo – determinada a partir de observações do fundo cósmico de microondas – é de 13,8 mil milhões de anos. “Foi uma discrepância grave”, disse ele.

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Tem sido tiradas ao valor facial, a idade prevista da estrela levantou um grande problema. Como poderia uma estrela ser mais velha do que o universo? Ou, inversamente, como poderia o universo ser mais novo? Era certamente claro que Matusalém – nomeado em referência a um patriarca bíblico que se diz ter morrido aos 969 anos de idade, fazendo dele o mais velho de todos os personagens da Bíblia – era velho, uma vez que o subgénero pobre em metal é predominantemente feito de hidrogénio e hélio e contém muito pouco ferro. A sua composição significava que a estrela deve ter surgido antes do ferro se ter tornado comum.

Mas mais de dois mil milhões de anos mais velho do que o seu ambiente? Certamente isso não é possível.

Ler mais de perto a idade de Matusalém

Bond e os seus colegas puseram-se à tarefa de descobrir se o valor inicial de 16 mil milhões era ou não exacto. Eles analisaram mais de 11 conjuntos de observações que tinham sido registadas entre 2003 e 2011 pelos Sensores de Orientação Fina do Telescópio Espacial Hubble, que registam as posições, distâncias e saída de energia das estrelas. Ao adquirir medidas de paralaxe, espectroscopia e fotometria, foi possível determinar uma melhor noção da idade.

“Uma das incertezas com a idade do HD 140283 era a distância precisa da estrela”, disse Bond a All About Space. “Era importante acertar isto porque podemos determinar melhor a sua luminosidade, e a partir daí a sua idade – quanto mais brilhante for a luminosidade intrínseca, mais jovem será a estrela. Estávamos à procura do efeito de paralaxe, o que significava que estávamos a ver a estrela com seis meses de intervalo para procurar a mudança na sua posição devido ao movimento orbital da Terra, que nos diz a distância”

Tinha também incertezas na modelação teórica das estrelas, tais como as taxas exactas de reacções nucleares no núcleo e a importância dos elementos que se difundem para baixo nas camadas exteriores, disse ele. Trabalharam sobre a ideia de que os restos de hélio se difundem mais profundamente no núcleo, deixando menos hidrogénio para queimar através da fusão nuclear. Com o combustível utilizado mais rapidamente, a idade é reduzida.

“Outro factor importante era, de todas as coisas, a quantidade de oxigénio na estrela”, disse Bond. HD 140283 tinha uma relação oxigénio-ferro superior à prevista e, uma vez que o oxigénio não era abundante no universo durante alguns milhões de anos, apontava novamente para uma idade inferior para a estrela.

Bond e os seus colaboradores estimaram a idade do HD 140283 em 14,46 mil milhões de anos – uma redução significativa em relação aos 16 mil milhões de anos anteriormente reclamados. No entanto, isso era ainda mais do que a idade do próprio universo, mas os cientistas colocaram uma incerteza residual de 800 milhões de anos, o que Bond disse tornar a idade da estrela compatível com a idade do universo, embora não fosse inteiramente perfeita.

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“Como todas as estimativas medidas, está sujeito a erro tanto aleatório como sistemático”, disse o físico Robert Matthews da Universidade de Aston em Birmingham, Reino Unido, que não estava envolvido no estudo. “A sobreposição nas barras de erro dá alguma indicação da probabilidade de um choque com determinações cosmológicas da idade”, disse Matthews. “Por outras palavras, a melhor idade suportada da estrela está em conflito com a idade derivada do universo, e o conflito só pode ser resolvido empurrando as barras de erro para os seus limites extremos”

Outros refinamentos viram a idade do HD 140283 cair um pouco mais. Um estudo de acompanhamento de 2014 actualizou a idade da estrela para 14,27 mil milhões de anos. “A conclusão a que se chegou foi que a idade é de cerca de 14 mil milhões de anos e, mais uma vez, se incluirmos todas as fontes de incerteza – tanto nas medições observacionais como na modelação teórica – o erro é de cerca de 700 ou 800 milhões de anos, pelo que não há conflito porque 13.8 mil milhões de anos está dentro da barra de erro da estrela”, disse Bond.

Visto de perto a idade do universo

Para Bond, as semelhanças entre a idade do universo e a desta velha estrela próxima – ambas determinadas por diferentes métodos de análise – é “um feito científico espantoso que fornece provas muito fortes para a imagem do universo do Big Bang”. Ele disse que o problema com a idade das estrelas mais antigas é muito menos grave do que nos anos 90 quando a idade estelar se aproximava dos 18 mil milhões de anos ou, num caso, 20 mil milhões de anos. “Com as incertezas das determinações, as idades estão agora de acordo”, disse Bond.

p>Yet Matthews acredita que o problema ainda não foi resolvido. Os astrónomos numa conferência internacional de cosmólogos de topo no Instituto Kavli de Física Teórica em Santa Barbara, Califórnia, em Julho de 2019, estavam confusos com estudos que sugeriam diferentes idades para o universo. Estavam a analisar as medições de galáxias relativamente próximas que sugerem que o universo é mais jovem em centenas de milhões de anos em comparação com a idade determinada pelo fundo cósmico de microondas.

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De facto, longe de ter 13,8 mil milhões de anos de idade, como estimado pelas medições detalhadas da radiação cósmica do telescópio espacial europeu Planck em 2013, o universo pode ser tão jovem quanto 11,4 mil milhões de anos. Um dos responsáveis pelos estudos é o prémio Nobel Adam Riess do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland.

p>As conclusões baseiam-se na ideia de um universo em expansão, como demonstrado em 1929 por Edwin Hubble. Isto é fundamental para o Big Bang – o entendimento de que em tempos houve um estado de densidade quente que explodiu, esticando o espaço. Indica um ponto de partida que deve ser mensurável, mas novas descobertas sugerem que a taxa de expansão é na realidade cerca de 10% mais elevada do que a sugerida por Planck.

Indeed, a equipa de Planck determinou que a taxa de expansão era de 67,4 km por segundo por megaparsec, mas as medições mais recentes da taxa de expansão do universo apontam para valores de 73 ou 74. Isto significa que existe uma diferença entre a medição da velocidade de expansão do universo hoje em dia e as previsões da velocidade de expansão com base na física do universo inicial, disse Riess. Está a levar a uma reavaliação das teorias aceites, mostrando ao mesmo tempo que ainda há muito a aprender sobre a matéria negra e a energia negra, que se pensa estarem por detrás deste enigma.

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Um valor mais elevado para a Constante Hubble indica uma idade mais curta para o universo. Uma constante de 67,74 km por segundo por megaparsec levaria a uma idade de 13,8 mil milhões de anos, enquanto que uma de 73, ou mesmo tão alta como alguns estudos demonstraram, indicaria uma idade do universo não superior a 12,7 mil milhões de anos. É um desajuste que sugere, mais uma vez, que o HD 140283 é mais antigo do que o universo. Desde então, foi também substituído por um estudo publicado em 2019 na revista Science que propôs uma Constante Hubble de 82,4 – sugerindo que a idade do universo é apenas 11,4 mil milhões de anos.

Matthews acredita que as respostas residem num maior refinamento cosmológico. “Suspeito que os cosmólogos observacionais deixaram escapar algo que cria este paradoxo, em vez dos astrofísicos estelares”, disse ele, apontando para que as medidas das estrelas sejam talvez mais precisas. “Isso não é porque os cosmólogos sejam de alguma forma mais desleixados, mas porque a determinação da idade do universo está sujeita a mais e indiscutivelmente mais complicadas incertezas observacionais e teóricas do que a das estrelas”

Então, como é que os cientistas descobrirão isto?

Mas o que poderá estar a fazer com que o universo pareça potencialmente mais novo do que esta estrela em particular?

“Há duas opções, e a história da ciência sugere que em tais casos a realidade é uma mistura de ambas”, disse Matthews. “Neste caso, isso seriam fontes de erro observacional que não foram completamente compreendidas, mais algumas lacunas na teoria da dinâmica do universo, tais como a força da energia negra, que tem sido o principal motor da expansão cósmica há muitos milhares de milhões de anos”

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Ele sugere a possibilidade de o actual “paradoxo da idade” reflectir a variação temporal da energia escura, e assim uma mudança na taxa de aceleração – uma possibilidade que os teóricos têm encontrado pode ser compatível com ideias sobre a natureza fundamental da gravidade, tais como a chamada teoria do conjunto causal. Novas pesquisas sobre ondas gravitacionais poderiam ajudar a resolver o paradoxo, disse Matthews.

Para fazer isto, os cientistas olhariam para as ondulações no tecido do espaço e tempo criadas por pares de estrelas mortas, em vez de confiar no fundo cósmico de microondas ou na monitorização de objectos próximos, tais como variáveis de Cepheid e supernovas para medir a Constante de Hubble – a primeira resultando na velocidade de 67 km por segundo por megaparsec e a segunda em 73,

P>Troble é, medir ondas gravitacionais não é tarefa fácil, dado que só foram detectadas directamente pela primeira vez em 2015. Mas segundo Stephen Feeney, astrofísico do Instituto Flatiron em Nova Iorque, um avanço poderia ser feito ao longo da próxima década. A ideia é recolher dados de colisões entre pares de estrelas de neutrões usando a luz visível que estes eventos emitem para descobrir a velocidade que estão a mover-se em relação à Terra. Também implica analisar as ondas gravitacionais resultantes para uma ideia de distância – ambas as quais podem combinar-se para dar uma medida da Constante de Hubble que deve ser a mais precisa ainda.

O mistério da era do HD 140283 está a levar a algo maior e mais complexo cientificamente, alterando a compreensão de como o universo funciona.

“As explicações mais prováveis para o paradoxo são algum efeito observacional negligenciado e/ou algo grande em falta na nossa compreensão da dinâmica da expansão cósmica”, disse Matthews. Precisamente o que é esse “alguma coisa”, é certamente manter os astrónomos desafiados durante algum tempo.

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