自从人类有意识地开始仰望星空，我们就一直被宇宙的浩瀚与神秘所吸引。

宇宙是无限的吗？

它是从何而来，又是否会永恒存在？

这些深刻的哲学问题，随着科学的进步，逐渐进入了实证科学的领域。

在过去的一个多世纪里，科学家们不断探寻和解答这些困惑，终于在今天，2024年，我们可以相当自信地说：我们知道宇宙的年龄大约为138亿年，这是自“大爆炸”开始的时间。

然而，随着我们不断揭开宇宙的面纱，许多新的问题也随之而来，其中一个最令人困惑的谜题就是：

如果宇宙的年龄是138亿年，为什么我们还能发现一颗“比宇宙还古老”的恒星？

哈勃空间望远镜拍摄的哈勃超深空星系群，从星空最深处一路缩小（59秒加快版，2019年5月2日）

01 从大爆炸到星系诞生

在我们深入探讨恒星年龄的谜团之前，让我们回顾一下宇宙早期的历史。

科学家们通过观测和理论模型，已经能够重建宇宙从大爆炸后到现在的演变过程。

宇宙在刚刚诞生时，是一片炽热、密集的等离子体，充满了基本粒子和高能辐射。

随着时间的推移，温度逐渐降低，原子核开始形成，中性原子也逐渐产生。

在这个示意图中，时间从左向右流动。图源wiki

大约在宇宙诞生后的几亿年间，最早的恒星和星系才开始出现。

这些早期恒星通过一系列复杂的引力作用，逐渐聚集，形成了我们今天所见的星系。

星系中的恒星在不断燃烧核燃料的过程中经历演化，表现出不同的光度、温度和半径变化。

恒星的寿命主要由两个因素决定：质量和金属含量（也就是恒星中氢和氦以外的重元素的比例）。

最古老的恒星几乎完全由氢和氦组成，它们的年龄可追溯到宇宙早期。

测量时间和距离可以告诉我们宇宙将如何在遥远的未来进化和加速/减速。通过将膨胀速率与宇宙中物质和能量的含量联系起来并测量膨胀速率，我们可以得出一个自大爆炸开始以来已经过去的时间的估计值。(图片来源: Saul Perlmutter)

02 “玛士撒拉星”的古怪

通过研究恒星的演化，天文学家们可以推算出恒星的年龄。

然而，这并不总是简单的过程。恒星随着时间的变化会经历许多阶段，特别是它们的质量和金属含量决定了它们的总寿命。

对于那些质量较大的恒星，它们会迅速燃烧殆尽，进入红巨星阶段，而质量较小的恒星则会以更慢的速度演化。

目前已知最古老的恒星，主要集中在球状星团中，这些星团中的恒星几乎都是原始的，由接近100%的氢和氦构成。它们的年龄可以超过130亿年。

然而，科学家们却发现了一颗名为“玛士撒拉星”的恒星，编号为HD 140283，推测其年龄为145亿年——比宇宙的年龄还要大！

这颗名为玛士撒拉星的恒星，距离地球仅190光年左右，表面温度、光度和元素组成的测量非常精确。

这些数据表明，它是一颗极其古老的恒星，其铁含量仅为太阳的0.4%。

然而，当天文学家们使用现有的理论模型推算它的年龄时，得到的结果令人震惊：144.6亿年！

这不仅远远超过了宇宙的年龄，而且还让我们陷入了一个难解的悖论：

宇宙是138亿年历史的，恒星却比宇宙还要老，这怎么可能呢？

其实，这个问题的关键在于测量的不确定性。

科学家们估算玛士撒拉星的年龄时，伴随着较大的误差范围。

虽然144.6亿年的估算让人感到困惑，但它的误差范围高达8亿年。

因此，实际上这颗恒星的真实年龄很有可能在138亿年以内，与宇宙的年龄相符。

03 天文学家的精确测量

要理解玛士撒拉星年龄计算中的复杂性，我们需要先了解天文学家如何测量恒星的年龄。

恒星的生命周期通常从它点燃核聚变开始，经过主序星阶段，逐渐进化成红巨星。这一过程中的温度、光度和半径变化可以为天文学家提供线索，帮助他们回溯恒星的年龄。

完整的恒星演化图

然而，恒星之间的相互作用，特别是恒星合并、物质剥离等现象，都会改变恒星的进化轨迹，增加了年龄推算的难度。

玛士撒拉星可能经历了一些我们无法完全了解的历史事件，导致它的外观和年龄看起来比实际更为古老。

除了恒星本身的测量，天文学家还通过研究宇宙膨胀的速率来确定宇宙的年龄。

1920年代，科学家们首次发现宇宙在不断膨胀，这一发现为宇宙学带来了革命性的变化。

通过测量宇宙膨胀速率（称为哈勃常数），科学家们可以推算出从大爆炸到现在所经过的时间。

在宇宙学中，哈勃-勒梅特定律是宇宙膨胀的理论基础，公示为：

v表示红移现象测量的星系远离速率，H0是哈勃常数，D是星系与观察者之间的距离。

在20世纪90年代，超新星的观测数据显示，宇宙并不是以恒定速率膨胀的，而是正在加速膨胀。

这一现象被归因于神秘的“暗能量”，它占据了宇宙总能量的约68%。利用这些数据，科学家们计算出宇宙的年龄大约为138亿年，误差不超过1%。

04 多重证据支持的宇宙年龄

科学家们并不仅仅依赖一种方法来确定宇宙的年龄。相反，他们采用了多条证据线来相互验证和补充。其中一些关键证据包括：

1. 宇宙大尺度结构：物质的总量和正常物质与暗物质的比例；

2. 宇宙微波背景辐射：早期宇宙中的能量密度波动；

3. 超新星观测：通过不同距离和红移的超新星来测量宇宙膨胀速率的变化。

通过整合这些数据，科学家们得出了一个非常一致的结论：宇宙的年龄约为138亿年。

这一结果不仅与理论模型相符，还得到了多种独立测量的支持。

结论：宇宙与恒星的共鸣

虽然玛士撒拉星的年龄估计令人感到困惑，但它实际上揭示了我们对宇宙认知中的微妙之处。

恒星年龄的测量伴随着巨大的不确定性，而这些不确定性又源于我们对恒星历史中可能发生的事件缺乏足够了解。在这些复杂的推算中，我们应该始终保持审慎态度。

总之，无论是138亿年的宇宙，还是那些古老的恒星，它们都在提醒我们：科学探索永无止境。

宇宙的神秘永远值得我们追寻，而每一个发现都可能为我们提供更深入了解宇宙的钥匙。