最古老银河恒星样本揭示宇宙年龄

背景

宇宙年龄是宇宙学基本参数之一，标准ΛCDM（Lambda Cold Dark Matter）模型通过宇宙微波背景（CMB）辐射观测（如Planck卫星）推算出宇宙年龄约为138亿年（13.8 Gyr）。然而，近年的哈勃常数（H₀）张力——即CMB测量与低红移局域测量（如造父变星和超新星）得到的哈勃膨胀速率不一致——引发了对标准模型是否需要在复合以前引入新物理的广泛讨论。一些新物理方案为了同时拟合低红移观测，往往会导致宇宙年龄降低至约12.9 Gyr。本论文利用银河系中最古老恒星的大样本，独立估计宇宙年龄，从而检验这些方案的可行性。

核心内容

本研究基于Xiang & Rix提供的恒星样本，包含247,103颗银河系恒星，这些恒星拥有来自LAMOST DR7的高分辨率光谱以及Gaia eDR3的视差数据。研究使用YY等时线（isochrones）估算恒星年龄，等时线覆盖年龄范围高达200亿年（20 Gyr）。为筛选出年龄异常高且精确的恒星，研究者要求候选老年恒星必须贫金属（金属丰度低）且α元素丰度富集（α-enriched）。此外，还要求由YY等时线得到的年龄与仅基于Gaia数据的FLAME工具（FLAME，即Gaia内部恒星参数估计模块）所得年龄一致。

经过质量筛选（quality cut），最终得到位于5 kpc范围内的155,600颗恒星。研究者采用多种方法对宇宙年龄进行一致性估计，其中主要结果基于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）重建潜在年龄分布（latent age distribution），迭代重建方法给出非常相似的结果。应用创新的MCMC重建不确定性处理方法，他们发现样本中最古老恒星的年龄为 (A_\star = 13.73^{+0.18}{-0.15}) Gyr。若改变质量筛选标准（例如使用更低或更高的随年龄变化的金属丰度上限），最古老恒星年龄最低可降至 (13.31^{+0.21}{-0.18}) Gyr，最高可升至 (14.02^{+0.18}_{-0.15}) Gyr。

该计算结果与CMB校准的ΛCDM模型所预期的宇宙年龄一致——如果假设第一批长寿命恒星在宇宙诞生约0.2 Gyr后形成，则模型预期年龄为13.6 Gyr。这一一致性对当前试图通过复合之前的新物理来解决哈勃常数张力的方案提出了质疑，因为这类方案通常需要宇宙年龄约为 (12.9 \pm 0.2) Gyr才能拟合低红移探测结果。考虑到本样本中最古老恒星极低的金属含量，以及独立星震学（asteroseismic）约束，恒星建模的不确定性很难将宇宙年龄压低至12.9 Gyr。

关键要点

• 利用247,103颗银河系恒星（经质量筛选后为155,600颗）的LAMOST DR7光谱和Gaia eDR3数据，通过YY等时线和FLAME工具估算恒星年龄。
• 最古老恒星年龄为 (13.73^{+0.18}_{-0.15}) Gyr（主结果），在质量筛选条件变动下介于13.31 Gyr至14.02 Gyr之间。
• 该年龄与CMB校准ΛCDM模型预期（假设首批长寿命恒星形成于宇宙年龄0.2 Gyr时，预期年龄约13.6 Gyr）高度吻合。
• 结果与近期提出在复合以前引入新物理以解决哈勃张力（H₀ tension）的方案存在矛盾，因为这些方案通常预测宇宙年龄约为12.9 Gyr，远低于本研究的测量值。
• 最古老恒星的低金属丰度及独立星震学数据限制了恒星模型调整的可能，使得14 Gyr以下的年龄难以被显著降低至12.9 Gyr。

意义与影响

本研究通过银河系最古老恒星这一独立手段，直接测量了宇宙年龄，其精度和可靠性达到了前所未有的水平。结果强烈支持标准ΛCDM模型所预言的高龄宇宙（约138亿年），而对那些试图通过复合之前新物理（如早期暗能量、额外相对论性粒子等）来解释哈勃张力的方案构成严峻挑战。若这类方案的宇宙年龄预测（约129亿年）被排除，则意味着哈勃张力需要从其他角度（如局域距离阶梯的系统误差或复合之后的新物理）寻找解释。该研究也为恒星演化模型和宇宙学参数之间建立了一个新的交叉验证桥梁，未来更精确的海量星表（如Gaia DR4、LAMOST后续巡天）将能进一步限制宇宙年龄的不确定性。