Astronomen hebben onlangs de leeftijd van meer dan 155.000 sterren in de Melkweg gebruikt om onafhankelijk de leeftijd van het universum te schatten. De resultaten laten zien dat het heelal minstens zo'n 13,7 miljard jaar oud is, wat nieuw en krachtig bewijs levert voor de momenteel algemeen aanvaarde "standaardleeftijd van het heelal" van ongeveer 13,8 miljard jaar. Relevant onderzoek werd op 1 juli ingediend bij het preprint-platform arXiv, waarbij verder op het volgende werd gewezen: het oplossen van het ‘Hubble-spanningsprobleem’ dat de kosmologische gemeenschap al vele jaren verontrust, vereist wellicht dat het antwoord in het ‘late universum’ moet worden gevonden in plaats van het hele standaard kosmologische model omver te werpen.

De bepaling van de ouderdom van het heelal hangt nauw samen met de zogenaamde ‘Hubble-spanning’. Er zijn momenteel twee manieren om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten (dat wil zeggen de constante van Hubble): de ene is het gebruik van de ‘nagloed’ van de oerknal – de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB) – om de uitdijingsgeschiedenis van het heelal te schatten onder de veronderstelling van het Standaard Kosmologische Model (ΛCDM), waardoor een geschatte leeftijd van het heelal van 13,8 miljard jaar wordt verkregen; de andere is gebaseerd op directe waarnemingen van het plaatselijke universum, inclusief 'standaardkaarsen' zoals Cepheid-variabelen en supernova's, en geeft een hogere expansiesnelheid, wat overeenkomt met een universumleeftijd van slechts ongeveer 12,5 miljard tot 12,9 miljard jaar. Het verschil in de waarde van de Hubble-constante tussen de twee methoden is ongeveer 9%. Deze ‘mismatch’ wordt de ‘Hubble-spanning’ genoemd.

Deze nieuwe studie werd geleid door Indranil Banik van de Universiteit van Portsmouth, VK. Het team begon niet met het algemene kosmologische model, maar richtte zich op de oudste sterren in de Melkweg en behandelde deze als ‘fossielen’ die de vroege geschiedenis van het universum vastleggen. Het onderzoeksteam wees erop dat als er een ster met een geschiedenis van ongeveer 13 miljard jaar kan worden gevonden, de werkelijke leeftijd van het universum groter moet zijn, omdat de vorming van sterren na de oerknal ook een bepaalde hoeveelheid tijd kost.

Bij specifiek werk selecteerde het team eerst 247.103 zogenaamde "subgiants" als monsters. Dit type ster heeft zojuist het sterstadium van de hoofdreeks verlaten, en zijn interne structuur en evolutiestadium maken het gemakkelijker om zijn leeftijd nauwkeurig te schatten. Deze stellaire gegevens zijn afkomstig van de Chinese Guo Shoujing Telescope (LAMOST) en het Europese Gaia-surveyproject. De onderzoekers selecteerden objecten die niet voldeden aan de kenmerken van ‘typische oude sterren’ door middel van screening van de chemische samenstelling, en combineerden ze met een andere reeks onafhankelijke methoden voor kruiscontrole, en verkregen uiteindelijk een ‘verfijnd monster’ van 155.600 sterren.

Door deze oudste en extreem langlevende sterren in de Melkweg te analyseren, ontdekte het onderzoeksteam dat de oudste ster onder hen ongeveer 13,73 miljard jaar oud is, met een statistische onzekerheid van ongeveer plus 18 miljoen jaar en min 15 miljoen jaar. Als we ook bedenken dat het ongeveer 200 miljoen jaar duurde voordat de sterren zelf ontstonden na de oerknal, dan komt dit resultaat in hoge mate overeen met de leeftijd van het heelal van ongeveer 13,8 miljard jaar, voorspeld door het standaard kosmologische model in combinatie met kosmische microgolfachtergrondwaarnemingen. Deze waarde komt ook redelijk overeen met eerdere resultaten op basis van andere oude sterren en bolvormige sterrenhopen.

Het is vermeldenswaard dat het onderzoeksteam ook benadrukte dat de huidige resultaten nog steeds worden beperkt door onzekerheden in veel aspecten, waaronder het aantal monsters, criteria voor kwaliteitsscreening, aannames over het evolutiemodel van sterren, de tijdschalen voor stervorming en de theoretische voorspellingen zelf. Elke factor zal grofweg een bovengrens voor de fout opleveren van ongeveer 150 miljoen tot 200 miljoen jaar. Daarom zal het verbeteren van welke schakel dan ook moeilijk zijn om op korte termijn een "sprong voorwaarts" te maken in de nauwkeurigheid van het bepalen van de ouderdom van het universum.

Ondanks deze bronnen van fouten is de nieuwe schatting van de minimumleeftijd van het universum nog steeds aanzienlijk hoger dan de 12,5 tot 12,9 miljard jaar die zou worden verkregen door simpelweg de lokale uitdijingssnelheid te extrapoleren naar bijna de gehele geschiedenis van het universum. Dit betekent dat als de ‘Hubble-spanning’ zijn wortels heeft in de nieuwe natuurkunde, het waarschijnlijker is dat deze pas op een later tijdstip in de geschiedenis van het universum in werking trad, in plaats van vanaf het begin de algehele evolutie van het universum te domineren.

Het onderzoeksteam wees erop dat dit kan impliceren dat de uitdijingsmethode van het universum de afgelopen miljarden jaren op de een of andere manier is veranderd, of dat er speciale kenmerken zijn in de lokale omgeving van het universum waarin we leven, zoals grootschalige gaten, waardoor de lokaal waargenomen uitdijingssnelheid ‘kunstmatig verhoogd’ is. De krant schrijft dat op basis van het bestaande bewijsmateriaal het zogenaamde ‘late universum-plan’ steeds meer een van de sterke kandidaten wordt om de Hubble-spanning te verklaren; een andere mogelijkheid is dat we ons in een enorme lokale onderdichtheidsregio (leegte) bevinden, waardoor de lokaal gemeten expansiesnelheid hoger is.

Dit werk werd ingediend bij het arXiv preprint-platform onder de titel "Het schatten van de leeftijd van het universum met behulp van een grote steekproef van de oudste sterren in de Melkweg", waarmee een stem van de "stellaire klok" werd toegevoegd aan de voortdurende discussie rond de leeftijd van het universum en het debat over de constante van Hubble. Voor onderzoekers die het standaard kosmologische model willen verdedigen, zijn de nieuwe resultaten ongetwijfeld een schot in de roos; maar om het ‘kosmische probleem’ van de Hubble-spanning volledig op te lossen, zullen er in de toekomst nog steeds meerdere observaties en theoretisch werk uit het vroege en late universum nodig zijn.