Mierzenie Wszechświata jeszcze dokładniej niż kiedykolwiek

Mapa Wielkiego Obłoku Magellana
Zdjęcie pokazuje Wielki Obłok Magellana, galaktykę sąsiadującą z Drogą Mleczną. Krzyżykami zaznaczono pozycje ośmiu słabych i rzadkich chłodnych układów podwójnych zaćmieniowych (obiekt te są zbyt słabe, aby było je widać bezpośrednio na zdjęciu). Analizują zmiany światła obiektów i inne własności ich układów astronomowie mogą bardzo dokładnie wyznaczyć odległości. Długa seria obserwacji obiektów doprowadziła do najbardziej precyzyjnego w historii wyznaczenia odległości do Wielkiego Obłoku Magellana - co jest kluczowym krokiem w ustalaniu odległości we Wszechświecie.
ESO/R. Gendler

Po prawie dekadzie starannych obserwacji międzynarodowy zespół astronomów, z bardzo dużym udziałem Polaków, zmierzył dystans do sąsiedniej galaktyki, Wielkiego Obłoku Magellana, dokładniej niż to było czynione do tej pory. Nowe pomiary polepszają także naszą wiedzę o tempie rozszerzania się Wszechświata – stałej Hubble’a – i są kluczowym krokiem w kierunku zrozumienia natury tajemniczej ciemnej energii, która wywołuje przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Zespół użył teleskopów z Obserwatorium ESO La Silla w Chile, a także innych instrumentów na całym świecie. Wyniki ukażą się 7 marca 2013 r. w czasopiśmie Nature.

Astronomowie badają skalę Wszechświata najpierw mierząc odległości do bliskich obiektów, a następnie używając ich jako świec standardowych [1] do ustalenia dystansów coraz dalej w kosmosie. Ale ten łańcuch jest na tyle dokładnych, na ile jego najsłabsze ogniwo. Do tej pory wyznaczanie dokładnej odległości do Wielkiego Obłoku Magellana (LMC), jednej z najbliższych galaktyk względem Drogi Mlecznej, okazywało się trudne. A ponieważ gwiazdy z tej galaktyki są wykorzystywane do kalibrowania skali odległości dla dalej położonych galaktyk, ma to szczególne istotne znaczenie.

Staranne obserwacje gwiazdy podwójnej rzadkiego typu pozwoliły zespołowi astronomów na wydedukowanie znacznie precyzyjniejszej wartości odległości do Wielkiego Obłoku Magellana: 163 000 lat świetlnych.

„Jestem bardzo podekscytowany, ponieważ astronomowie od setek lat próbowali dokładnie zmierzyć odległość do Wielkiego Obłoku Magellana i okazywało się to niezmiernie trudnym zadaniem” powiedział Wolfgang Gieren (Universidad de Concepción, Chile), jeden z liderów zespołu. „Udało nam się rozwiązać ten problem uzyskując dokładność 2%.”

Poprawki w wyznaczaniu odległości do Wielkiego Obłoku Magellana dają także lepsze wyznaczenia odległości do wielu cefeid [2]. Te jasne, pulsujące gwiazdy są wykorzystywane jako świece standardowe do mierzenia odległości do znacznie dalszych galaktyk i wyznaczenia tempa rozszerzania się Wszechświata – stałej Hubble’a. A ta z kolei stanowi podstawę do mierzenia Wszechświata aż do najodleglejszych galaktyk, które można dostrzec za pomocą współczesnych teleskopów. Tak więc, dokładniej wyznaczona odległość do Wielkiego Obłoku Magellana automatycznie redukuje niedokładności w obecnych pomiarach odległości kosmologicznych.

Astronomowie wyznaczyli dystans do Wielkiego Obłoku Magellana obserwując rzadką bliską parę gwiazd, znanych jako układ podwójny zaćmieniowy [3]. Gdy gwiazdy te okrążają się nawzajem, przechodzą naprzemiennie przed sobą. Gdy następuje taki moment, obserwacje z Ziemi wskazują na spadek całkowitej jasności, zarówno gdy jedna gwiazda przechodzi przed drugą, jak i w przypadku gdy przemieszcza się z tyłu za nią (spadki jasności mogą są różne w obu przypadkach). [4]

Bardzo dokładne śledzenie tych zmian w jasności, a także mierzenie orbitalnych prędkości gwiazd, umożliwia ustalenie jak duże są gwiazdy, jakie mają masy i różnych informacji o orbitach obiektów. Gdy dane te połączy się ze starannymi pomiarami całkowitej jasności i kolorów gwiazd [5] można zadziwiająco dokładnie wyznaczyć odległość.

Metody tej używano już wcześniej, ale w przypadku gorących gwiazd. Jednak musiały być przyjęte pewne założenia, co powodowało, że odległości nie były na tyle dokładne, na ile oczekiwano. Ale teraz po raz pierwszy zidentyfikowano osiem niesłychanie rzadkich układów podwójnych zaćmieniowych, w których obie gwiazdy są chłodniejszymi czerwonymi olbrzymami [6]. Gwiazdy te zbadano bardzo dokładnie i znacznie precyzyjniej wyznaczono odległości – z dokładnością do około 2%.

„ESO dostarczyło perfekcyjnego zestawu teleskopów i instrumentów do obserwacji potrzebnych dla naszego projektu: HARPS dla ekstremalnie dokładnych prędkości radialnych względnie słabych gwiazd, SOFI dla precyzyjnych pomiarów na ile jasne gwiazdy te są w podczerwieni” dodał Grzegorz Pietrzyński (Universidad de Concepción, Chile oraz Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego, Polska), główny autor nowego artykułu w Nature.

„Pracujemy nad ulepszeniem naszej metody jeszcze bardziej i mamy nadzieję na wyznaczenie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana z precyzją 1% w ciągu najbliższych kilku lat. Ma to daleko idące konsekwencje nie tylko dla kosmologii, ale dla wielu pól astrofizyki” podsumowuje Dariusz Graczyk, drugi autor artykułu w Nature.

Uwagi

[1] Świece standardowe są obiektami o znanej jasności. Obserwując na ile jasny wydaje się taki obiekt astronomowie mogą wyznaczyć dystans, bowiem bardziej odległe obiekty wyglądają na słabsze. Przykładem świec standardowych są cefeidy [2] oraz supernowe typu Ia. Dużym problemem jest skalibrowanie skali odległości poprzez odnalezienie względnie bliskiej próbki tego typu obiektów, do których dystans można wyznaczyć innymi sposobami..

[2] Cefeidy są jasnymi, niestabilnymi gwiazdami, które pulsują i zmieniają swój blask. Istnieje bardzo wyraźna zależność pomiędzy tym, jak szybko się zmieniają, a ich jasnością. Cefeidy, które pulsują szybciej, są słabsze niż te, które pulsują wolniej. Ta zależność okres-jasność (luminosity) pozwala na użycie cefeid jako świec standardowych do mierzenia odległości do sąsiednich galaktyk.

[3] Niniejsza praca jest częścią długoterminowego Projektu Araucaria, który ma polepszyć pomiary odległości do sąsiednich galaktyk.

[4] Dokładne zmiany światła zależą od względnych rozmiarów gwiazd, ich temperatur i kolorów, a także od własności orbit.

[5] Kolory są mierzone poprzez porównywanie jasności gwiazd w różnych zakresach fal bliskiej podczerwieni

[6] Gwiazdy te znaleziono przeszukując 35 milion gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana, które zbadał project OGLE.

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1434