Methuselah Yıldızı ve Evren'in Yaşı Problemi: Bir Yıldız, Evren'den Nasıl Daha Yaşlı Olabilir?

100 yıldır, astronomlar Dünya'dan 190 ışık yılı kadar uzakta olan Libra takımyıldızındaki merak uyandırıcı bir yıldızı gözlemliyor. Bu yıldız, gökyüzünde saatte 1.3 milyon kilometre gibi inanılmaz bir hızda yol alıyor. Ama daha da ilginç olan, Methuselah olarak da bilinen HD 140283 yıldızının aynı zamanda evrenin en yaşlı yıldızlarından birisi olmasıdır.

Bilim insanları, 2000 yılında Avrupa Uzay Ajansı'nın (ESA) Hipparcos uydusunu kullanarak yaptıkları gözlemlere dayanarak, yıldızın yaşının yaklaşık 16 milyar yıl olduğu sonucuna ulaştılar. Ortaya çıkan tablo, oldukça şaşırtıcıydı. Pensilvanya Devlet Üniversitesi'nden bir astronom olan Howard Bond, daha önce kozmik mikrodalga arka plan ışımasını gözlemleyerek evrenin 13.8 milyar yıl yaşında olduğunu kararlaştırmıştı. Bond, bu durumun ciddi bir tutarsızlık olduğunu söylüyor.

Görünüşe göre bu yıldızın tahmin edilen yaşı büyük bir sorunu akla getiriyor: Bir yıldız nasıl evrenden daha yaşlı olabilir? Ya da evren nasıl bu yıldızdan daha genç olabilir? İncil'deki en uzun yaşamış figür olan ve 969 yaşında öldüğü söylenen bir psikoposun adını alan Methuselah yıldızının çok yaşlı olduğunu biliyoruz. Çünkü bu dev-altı yıldız, büyük oranda hidrojen ve helyumdan oluşup, çok az demir içerir. Methuselah'nın kompozisyonu, onun evrende demire sık rastlanmayan zamanlarda oluştuğunu gösteriyor. Ama çevresinden 2 milyar yıl yaşlı olması... Bunun mümkün olmadığı çok açık.

A. Fujii & Z. Levay

Methuselah'nın Yaşını Derinlemesine İncelemek

Bond ve meslektaşları, yıldızın yaşını 16 milyar yıl olarak tahmin eden ilk modelin doğru olup olmadığını ortaya çıkarmayı kendilerine görev edindiler. 2003 ve 2011 arasında Hubble Uzay Teleskopu'nun pozisyonları, uzaklıkları ve yıldızların enerji çıkışını inceleyen gelişmiş yönlendirme sensörleri tarafından kaydedilmiş 11 ayrı gözlem kümesini incelediler. Paralaks elde ederek, spektroskopi ve fotometri ölçümleri, yıldızın yaşı hakkında daha kesin sonuçlar elde edilebilir. Bond, All About Space dergisine şöyle anlatıyor:

HD 140283'ün tam uzaklığı, yıldızın yaşı hakkındaki belirsizliklerden biri. Bunu bilmek önemli; çünkü yıldızın parlaklığı hakkında bu şekilde bilgi edinebiliriz. Bir yıldızın parlaklığı ve yaşı arasında bir bağlantı vardır. Bir yıldız ne kadar parlaksa o kadar gençtir. Yıldızı altı ay arayla görüntüleyerek, Dünya'nın yörüngesel hareketinden kaynaklanan bir kayma olup olmadığına bakıyoruz. Bu gözlemler bize yıldızın uzaklığını veriyor. Yıldızın teorik olarak modellenmesinde çekirdekte gerçekleşen nükleer reaksiyonların oranı ve dış katmanlardan aşağı doğru yayılan elementlerin önemi gibi belirsizlikler de var.

Arta kalan helyumun derine, çekirdeğe kadar yayılarak nükleer füzyon ile yanacak daha az hidrojen bırakması üzerine yoğunlaştılar. Yakıtın daha hızlı tüketilmesi yıldızın yaşını küçülttü. "Yıldızdaki oksijen miktarı önemli olan başka bir faktördü." diyor Bond. HD 140283, tahmin edilenden daha yüksek bir oksijen/demir oranına sahip ve oksijene, Evren'de ilk birkaç milyon yılda rastlanmadığından, bu durum yine yıldızın yaşının tahmin edilenden daha küçük olduğunu gösterdi.

Bond ve takım arkadaşları, HD 140283'ün yaşının, iddia edilen 16 milyar yıla göre çok daha küçük olan 14.46 milyar yıl olduğunu tahmin ediyor. Bu tahmin hala evrenin yaşından büyük; fakat bilim insanları, Bond'a göre yıldızın yaşını evrenin yaşına uydurmaya neredeyse yetecek bir süre olan 800 milyon yıllık bir hata payı bırakıyor. Çalışmada yer almayan UK Birmingham'daki Aston Üniversitesi'nden fizikçi Robert Matthews, şöyle diyor:

Bu tahmine dayalı hesaplama da benzerleri gibi rastgele ya da sistematik hatalar içerebilir. Hata miktarını gösteren çizgilerin ("hata barlarının") örtüşmesi, kozmolojik yaş belirleme çalışmalarında muhtemel uyuşmazlıklar olduğunu gösterir. Başka bir deyişle, kozmik mikrodalga arkaplan ışıması gözlemlenerek kararlaştırılmış olan Evren'in bilinen yaşı ve yıldızın kanıtlarla desteklenen yaşı birbirlerini tutmuyor ve bu uyuşmazlık, ancak hata barlarının sınırlarının zorlanmasıyla çözülebilir.

Birkaç düzeltme daha yapıldığında, HD 140283'ün yaşının biraz daha düştüğünü görebiliyoruz. 2014'te yapılan tamamlayıcı bir çalışma ile yıldızın yaşı 14.27 milyar yıl olarak güncellendi. Bond, şöyle diyor:

Araştırma sonucu erişilen yaş 14 milyar yıl ve eğer bu araştırma, gözlemsel ölçümler ve teorik modelleme gibi tüm belirsizlik kaynaklarını içeriyorsa, hata payı 700-800 milyon yıldır. Hata payını hesaplanan yaştan çıkardığımızda 13.8 milyar yıl kalır - ki bu yaş, yıldızın hata menzili içindedir. Bu durumda çelişki yok demektir.

NASA/WMAP

Evrenin Yaşını Derinlemesine İncelemek

Bond'a göre, her ikisi de farklı analiz metotlarıyla belirlenmiş olan evrenin yaşı ve yakınlardaki bu yıldızın yaşı arasındaki benzerliklerin keşfi, Büyük Patlama Teorisi'ne güçlü kanıtlar sağlayan inanılmaz bir bilimsel kazanım. Bond, en yaşlı yıldızların yaşları ile ilgili sorunların, yıldız yaşlarının 18-20 milyar yıllara yaklaştığı 90'lardaki ciddiyetini kaybettiğini söylüyor.

Yaş belirleme çalışmalarındaki belirsizlikleri hesaba kattığımızda, yıldız yaşları akla uygun seviyelere geliyor.

Matthews yine de sorunun çözüldüğüne inanmıyor. Santa Barbara, Kaliforniya'daki Kavli Enstitüsü'nde Temmuz 2019'da düzenlenen uluslararası bir teorik fizik konferansında astronomlar, evrenin yaşı hakkında farklı teoriler öne süren çalışmalar üzerine tartışıyorlardı. Görece yakınımızdaki galaksilerde yapılan ölçümleri hesaba kattıklarında, evrenin kozmik mikrodalga arka plan ışıması ile kararlaştırılan yaşına göre 100 milyonlarca yıl genç olduğunu gördüler.

Avrupa Planck Uzay Teleskobu'nun 2013'te yaptığı detaylı kozmik radyasyon ölçümlerine dayanılarak, 13.8 milyar yıl yaşında olduğu tahmin edilse de evren 11.4 milyar yıl yaşında olabilir. Bu çalışmalara katkı sağlayan kişilerden biri, Baltimore Maryland'deki Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü'nden Nobel Ödülü sahibi Adam Riess.

Bu sonuçlar, 1929'da Edwin Hubble'ın çalışmaları ışığında ortaya çıkan "genişleyen evren" fikrini temel alıyor. Bu durum, evrenin aşırı yoğun ve sıcak bir noktadan meydana geldiğini ve daha sonra genişlediğini anlatan Büyük Patlama için temel bir durum. Bu bize, ölçülebilen bir başlangıç noktasını gösterir; ancak yeni çalışmalar, genişleme oranının Planck'ın önerdiğinden yaklaşık %10 daha yüksek olduğunu söylüyor.

Planck'ın takımı, genişleme oranını saniye ve megaparsek başına 67.4 km olarak belirledi; ama evrenin genişleme oranı üzerine yapılan son ölçümler, saniye ve megaparsek başına 73-74 km'yi işaret ediyor. Riess şöyle diyor:

Evrenin erken dönemlerinde işleyen fizik kurallarına göre tahmini genişleme hızı ve güncel ölçümlerle ortaya konan genişleme hızı arasında bir fark var demektir. Bu durum bu tarz bilmecelerin arka planında olduğu düşünülen karanlık enerji ve karanlık madde hakkında ne kadar az şey bildiğimizi gözler önüne sererken günümüzde geçerli olan teorilerin yeniden değerlendirilmesine de öncülük ediyor.

Hubble sabitinin değerinin büyük olması, daha genç bir evrenin varlığını işaret ediyor. Saniye ve megaparsek başına 67.74 km olan bir sabitle evrenin yaşı 13.8 milyar yıla denk gelirken, bazı çalışmaların öne sürdüğü gibi 73 ya da 77 ile 12.7 milyar yıldan azına denk gelemez. Bu HD 140283'ü evrenden yaşlı yapan bir çelişkidir. 2019'da Science dergisinde yayınlanan ve Hubble sabitinin 82.4 olduğunu öne süren bir makaleye göre, evrenin yaşı 11.4 milyar yıl olarak güncellenmiştir. Matthews cevabın kapsamlı bir kozmolojik sadeleştirmede saklı olduğunu düşünüyor ve ekliyor:

Yıldızlar üzerine çalışan astrofizikçiler değil de gözlemci kozmologların bu paradoksu yaratan bir şeyi gözden kaçırdıklarından şüpheleniyorum. Bu durum kozmologların çalışmalarını dikkatsizce yürütmelerinden çok evrenin yaşının belirlenmesinde yıldızlarınkine göre daha fazla gözlemsel ve teorik belirsizlikler bulunması nedeniyle ortaya çıkıyor.

Wise, Abel, Kaehler (KIPAC/SLAC)

Peki Bilim İnsanları Bunu Nasıl Çözecek?

Evrenin bu yıldızdan genç görünmesine neden olan şey ne olabilir? Matthews, şöyle diyor:

Ortada iki seçenek var ve bilim tarihine bakıldığında gerçeklik, genelde bu iki seçeneğin karışımıdır. Henüz tamamen çözemediğimiz gözlemsel hatalar olabilir. Ayrıca milyarlarca yıldır evrenin genişlemesinin ana sebebi olan karanlık enerjinin gücü gibi evrenin dinamikleri teorisindeki boşluklar bu çelişkiyi doğurmuş olabilir.

Güncel "yaş paradoksu"nun karanlık enerjideki zaman varyasyonunu yansıttığını ve böylece teorisyenlerin kütleselçekimin doğasıyla ilgili nedensel kümelenme teorisi gibi fikirleriyle uyumlu görünen ivmelenme oranındaki değişimin mümkün olduğunu söylüyor.

"Kütleçekimi dalgalarını konu alan yeni araştırmalar paradoksun çözülmesine yardım edebilir." diyor Matthews. Bunu yapmak için bilim insanları kozmik mikrodalga arkaplan ışımasına güvenmek ya da Hubble sabitini ölçme amacıyla yakınlardaki Cepheid değişen yıldızlarını ve süpernovaları gözlemlemek yerine ölmüş yıldız çiftleri tarafından yaratılan uzay ve zaman kumaşındaki dalgalanmaları incelerler.

Asıl sorun, direkt olarak ilk defa 2015'te tespit edilmiş kütleçekimi dalgalarının incelenmesinin zorlu bir iş olması. Ama New York Flatiron Enstitüsündeki astrofizikçi Stephen Feeney'e göre önümüzdeki 10 yıl içinde bu alanda çığır açacak çalışmalar yapılabilir. Bu çalışmalardaki amaç, nötron yıldız çiftlerinin çarpışmalarından yayılan görünür ışığı kullanarak bilgi toplayıp Dünya'ya görece hangi hızda hareket ettiklerini çözmek. Matthews şöyle diyor:

Bu çalışma Hubble sabitinin en doğru değerine ulaşmamızı sağlayacak bir yöntem olan kütleçekimi dalgalarının uzaklıklarına göre analizini de gerektirmekte. HD 140283'ün yaşının gizemini çözmek için evrenin işleyişi hakkındaki fikirlerimizi temelden sarsabilecek bilimsel açıdan daha karmaşık ve büyük soruları cevaplamamız gerekiyor.

Bu paradoksun açıklaması muhtemelen gözden kaçmış gözlemsel bir etki ya da/ve evrenin genişlemesini açıklayışımızdaki büyük bir eksiklik.

O eksikliğin tam olarak ne olduğu astronomların aklını uzun süre meşgul edecek gibi duruyor.