Como uma estrela pode ser mais velha que o universo?

A estrela mais antiga do universo é HD140283 ou Matusalém, como é comumente conhecida. Esta imagem do Digitized Sky Survey mostra a estrela Matusalém, localizada a 190,1 anos-luz de distância. Os astrônomos refinaram a idade da estrela para cerca de 14,3 bilhões de anos (que é mais velha que o universo), mais ou menos 800 milhões de anos. Imagem divulgada em 7 de março de 2013. Crédito da imagem: Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech e UKSTU/AAO

Em 2000, os cientistas procuraram datar o que pensavam ser a estrela mais antiga do universo. Eles fizeram observações através do satélite Hipparcos da Agência Espacial Europeia (ESA) e estimaram que HD140283, ou Matusalém, como é comumente conhecida, tinha impressionantes 16 bilhões de anos.

Tal figura era bastante desconcertante. Afinal, a idade do universo, determinada a partir de observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, tem 13,8 bilhões de anos, então como uma estrela pode ser mais velha que o universo?

"Foi uma discrepância séria", diz o astrônomo Howard Bond, da Pennsylvania State University. Então, com isso em mente, Bond e seus colegas começaram a descobrir a verdade e testar a precisão da figura. Suas conclusões foram igualmente surpreendentes.

Os astrônomos começaram a observar Matusalém, nomeada em referência a um patriarca bíblico que teria morrido aos 969 anos, tornando-o o mais longevo de todas as figuras da Bíblia, há mais de 100 anos. A curiosa estrela está localizada a cerca de 190 anos-luz de distância da Terra na constelação de Libra e viaja rapidamente pelo céu a 800.000 mph (1,3 milhão de quilômetros por hora).

Ficou claro que a estrela era velha. A subgigante pobre em metal é predominantemente feita de hidrogênio e hélio e contém muito pouco ferro. Essa composição sugere que a estrela deveria ter surgido quando o hélio e o hidrogênio dominavam o universo e antes que o ferro se tornasse comum (os elementos mais pesados só apareceram quando estrelas massivas os criaram em seus núcleos) 

Mas poderia Matusalém realmente ser mais de dois bilhões de anos mais velha que seu ambiente? Certamente isso não é possível. Ou a estrela deveria ser mais velha que o universo ou o universo não deveria ser tão "jovem" quanto os cientistas pensavam que fosse. Ou talvez essa relação estivesse simplesmente errada. O que deveria ser?

INVESTIGANDO A IDADE DE MATUSALÉM

Esta é uma vista do quintal do céu ao redor da antiga estrela Matusalém, catalogada como HD 140283. Imagem divulgada em 7 de março de 2013. Crédito da imagem: A. Fujii e Z. Levay (STScI)

Um mistério dessa magnitude não poderia ser ignorado, então Bond e seus colegas tentaram descobrir a verdade, derramando sobre 11 conjuntos de observações que foram registradas entre 2003 e 2011. 

Essas observações foram feitas pelos Sensores de Orientação Fina do Telescópio Espacial Hubble, que anotaram as posições, distâncias e saída de energia das estrelas. Ao adquirir medições de paralaxe, espectroscopia e fotometria, os cientistas puderam determinar uma melhor noção de idade.

"Uma das incertezas com a idade de HD 140283 foi a distância precisa da estrela", disse Bond. "Era importante acertar porque podemos determinar melhor sua luminosidade e, a partir disso, sua idade, quanto mais brilhante a luminosidade intrínseca, mais jovem é a estrela.

"Estávamos procurando o efeito de paralaxe, o que significava que estávamos vendo a estrela com seis meses de intervalo para procurar a mudança em sua posição devido ao movimento orbital da Terra, que nos diz a distância."

Bond acrescenta que também havia incertezas na modelagem teórica das estrelas, como as taxas exatas de reações nucleares no núcleo e a importância dos elementos se difundindo para baixo nas camadas externas. Então eles trabalharam na ideia de que o hélio restante se difunde mais profundamente no núcleo, deixando menos hidrogênio para queimar por meio da fusão nuclear. Com o combustível queimando mais rápido, a idade é reduzida.

"Outro fator importante foi, de todas as coisas, a quantidade de oxigênio na estrela", disse Bond. HD 140283 tinha uma relação oxigênio-ferro maior do que o previsto e, como o oxigênio não era abundante no universo por alguns milhões de anos, apontou novamente para uma idade menor para a estrela. 

Como resultado de todo esse trabalho, Bond e seus colaboradores estimaram a idade de HD 140283 em 14,46 bilhões de anos. Foi uma redução significativa nos 16 bilhões reivindicados anteriormente, mas ainda era mais do que a idade do próprio universo.

Nesse sentido, não esclareceu o mistério e, à primeira vista, simplesmente garantiu que Matusalém permanecesse uma curiosidade. Mas os cientistas apresentavam uma incerteza residual de 800 milhões de anos, que Bond disse tornar a idade da estrela compatível com a idade do universo. Foi um grande avanço. 

"Como todas as estimativas medidas, está sujeita a erros aleatórios e sistemáticos", disse o físico Robert Matthews, da Aston University, em Birmingham, Reino Unido, que não esteve envolvido no estudo. "A sobreposição nas barras de erro dá alguma indicação da probabilidade de um confronto com as determinações de idade cosmológica" 

"Em outras palavras, a idade da estrela mais bem suportada entra em conflito com a idade derivada do universo [conforme determinado pelo fundo cósmico de micro-ondas], e o conflito só pode ser resolvido empurrando as barras de erro para seus limites extremos."

Refinamentos adicionais viram a idade da HD 140283 cair um pouco mais. Um estudo de acompanhamento de 2014, por exemplo, atualizou a idade da estrela para 14,27 bilhões de anos. “Mais uma vez, se incluirmos todas as fontes de incerteza, tanto nas medições observacionais quanto na modelagem teórica, o erro é de cerca de 700 ou 800 milhões de anos, então não há conflito porque 13,8 bilhões de anos estão dentro da barra de erro da estrela”, disse Bond. Além disso, em maio de 2021, outro grupo de astrônomos revisou as melhores estimativas para a idade e a massa de Matusalém e, tendo modelado como as estrelas mudam ao longo do tempo, descobriram que sua idade era de 12 bilhões de anos. Ainda torna a HD 140283 extremamente antiga (o sol, em comparação, é apenas uma criança com 4,6 bilhões de anos), mas coloca a idade da estrela bem dentro da idade do universo. Ou não? 

INVESTIGANDO A IDADE DO UNIVERSO

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. Crédito da imagem: NASA/WMAP

Por um lado, Bond diz que os esforços para datar Matusalém são "uma incrível conquista científica que fornece evidências muito fortes para a imagem do universo do Big Bang". Ao mostrar semelhanças entre a idade do universo e a desta velha estrela próxima, ele diz que o problema com a idade das estrelas mais antigas é muito menos grave do que era na década de 1990, quando as idades estelares estavam se aproximando de 18 bilhões de anos ou, em um caso, 20 bilhões de anos. "Com as incertezas das determinações, as idades agora estão concordando", disse Bond.

Mas, por outro lado, Matthews acredita que o problema ainda não foi resolvido. Astrônomos em uma conferência internacional dos principais cosmólogos do Instituto Kavli de Física Teórica em Santa Bárbara, Califórnia, em julho de 2019, ficaram intrigados com estudos que sugeriam diferentes idades para o universo. Eles estavam olhando para medições de galáxias que estão relativamente próximas, o que sugere que o universo é mais jovem em centenas de milhões de anos em comparação com a idade determinada pela radiação cósmica de fundo.

Longe de ter 13,8 bilhões de anos, conforme estimado pelas medições detalhadas da radiação cósmica do telescópio espacial europeu Planck em 2013, o universo pode ser tão jovem quanto 11,4 bilhões de anos. Se esse for, de fato, o caso, então Matusalém é novamente mais velho que o universo. A trama, de fato, se complica, mas quão precisas essas reestimativas estão provando ser?

Um dos que estão por trás dos estudos até o momento do universo é o ganhador do Prêmio Nobel Adam Riess, do Space Telescope Science Institute, em Baltimore, Maryland.

As conclusões são baseadas na ideia de um universo em expansão, como mostrado em 1929 por Edwin Hubble. Isso é fundamental para o Big Bang, o entendimento de que houve uma vez 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 cerca de 10% maior do que a sugerida por Planck.

De fato, a equipe do Planck determinou que a taxa de expansão era de 67,4 km por segundo por megaparsec, mas medições mais recentes da taxa de expansão do universo apontam para valores de 73 ou 74. 

Isso significa que há uma diferença entre a medição de quão rápido o universo está se expandindo hoje e as previsões de quão rápido ele deveria estar se expandindo com base na física do universo primitivo, disse Riess. Está levando a uma reavaliação das teorias aceitas, ao mesmo tempo em que mostra que ainda há muito a aprender sobre a matéria escura e a energia escura, que se acredita estarem por trás desse enigma.

Um valor mais alto para a Constante de 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 bilhões de anos, enquanto uma de 73, ou mesmo 77, como alguns estudos mostraram, indicaria uma idade do universo não superior a 12,7 bilhões de anos. 

É uma incompatibilidade que sugere, como afirmado, que o HD 140283 ainda pode ser mais antigo que o universo. Desde então, também foi substituído por um estudo de 2019 publicado na revista Science que propôs uma Constante de Hubble de 82,4, sugerindo que a idade do universo é de apenas 11,4 bilhões de anos. Os astrônomos esperam que o Telescópio Espacial James Webb possa esclarecer esse mistério em particular.

Matthews acredita que as respostas estarão em um maior refinamento cosmológico. “Suspeito que os cosmólogos observacionais perderam algo que cria esse paradoxo, em vez dos astrofísicos estelares”, disse ele, apontando para as medições das estrelas serem talvez mais precisas. 

"Isso não é porque os cosmólogos são de alguma forma mais descuidados, mas porque a determinação da idade do universo está sujeita a incertezas observacionais e teóricas mais complicadas do que a das estrelas."

POR QUE O UNIVERSO PARECE MAIS JOVEM QUE MATUSALÉM?

Impressão artística da formação das primeiras estrelas do universo. Crédito da imagem: NASA/WMAP Science Team

Mas o que poderia estar fazendo o universo parecer potencialmente mais jovem do que essa estrela em particular? 

"Existem duas opções, e a história da ciência sugere que nesses casos a realidade é uma mistura de ambas", disse Matthews. “Neste caso, seriam fontes de erro observacional que não foram totalmente compreendidos, além de algumas lacunas na teoria da dinâmica do universo, como a força da energia escura, que tem sido o principal condutor da expansão cósmica por muitos bilhões de anos agora."

Ele sugere a possibilidade de que o atual "paradoxo da idade" reflita a variação do tempo na energia escura e, portanto, uma mudança na taxa de aceleração, uma possibilidade que os teóricos descobriram pode ser compatível com ideias sobre a natureza fundamental da gravidade, como a chamada teoria dos conjuntos causais. Novas pesquisas sobre ondas gravitacionais podem ajudar a resolver o paradoxo, disse Matthews.

Para fazer isso, os cientistas observariam as ondulações no tecido do espaço e do tempo criadas por pares de estrelas mortas, em vez de confiar no fundo cósmico de micro-ondas ou no monitoramento de objetos próximos, como variáveis Cefeidas e supernovas para medir a Constante de Hubble, o primeiro resultando na velocidade de 67 km por segundo por megaparsec e este último em 73.

O problema é que medir ondas gravitacionais não é tarefa fácil, já que elas só foram detectadas diretamente pela primeira vez em 2015. Mas, de acordo com Stephen Feeney, astrofísico do Flatiron Institute em Nova York, um avanço pode ser feito na próxima década. A ideia é coletar dados de colisões entre pares de estrelas de nêutrons usando a luz visível que esses eventos emitem para descobrir a velocidade em que estão se movendo em relação à Terra. Também envolve a análise das ondas gravitacionais resultantes para uma ideia de distância, as quais podem se combinar para fornecer uma medida da Constante de Hubble que deve ser a mais precisa até agora.

O mistério da idade de HD 140283 está levando 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 faltando em nossa compreensão da dinâmica da expansão cósmica”, disse Matthews. Precisamente o que é esse "algo" certamente manterá os astrônomos desafiados por algum tempo.

RECURSOS ADICIONAIS

• Saiba mais sobre os Sensores de Orientação Fina do Telescópio Espacial Hubble. 
• Assista a esta história legal do Telescópio Espacial Hubble. 
• Descubra como o WMAP vem fazendo medições da cosmologia e determinando a idade do universo. 

BIBLIOGRAFIA

• Tang, Jianling e Meridith Joyce. " Melhores estimativas revisadas para a idade e massa da estrela Metusalém, HD 140283 usando MESA e interferometria e implicações para convecção 1D." Notas de pesquisa do AAS 5.5 (2021): 117. 
• Lincoln, Dom. "Os astrônomos encontraram uma estrela mais antiga que o universo?" The Physics Teacher 59.3 (2021): 154-158. 
• Bond, Howard E., et ai. "HD 140283: Uma estrela na vizinhança solar que se formou logo após o Big Bang" The Astrophysical Journal Letters 765.1 (2013): L12. 
• Catelan, M. "As idades das estrelas (as mais antigas)" Proceedings of the International Astronomical Union 13.S334 (2017): 11-20.

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Referência:

CROOKES, David. Methuselah: The oldest star in the universe. Space, 07, mar. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/how-can-a-star-be-older-than-the-universe.html>. Acesso em: 13, mar. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.