Świeże spojrzenie na czerwone olbrzymy oferuje kluczowy wgląd w pomiary kosmicznych odległości oraz sposób pomiaru ekspansji Wszechświata z najwyższą dokładnością.
W nieustannie rozszerzającym się Wszechświecie mierzenie kosmicznych odległości jest jak próba znalezienia niezawodnej linijki w ogromnej, stale rozciągającej się tkaninie. Jednym z narzędzi używanych przez astrofizyków jest stała Hubble’a (H0), która mierzy szybkość rozszerzania się Wszechświata i określa jego wiek oraz obserwowalny rozmiar.
Nie ma jednomyślności co do wartości H0 ze względu na sprzeczne pomiary pochodzące z różnych obiektów niebieskich. Ta dyskusja oznacza, że nasza wiedza na temat podstawowej fizyki Wszechświata jest niekompletna. Jest to kwestia o wysokim znaczeniu, a kluczem do znalezienia rozwiązania jest znaczna poprawa dokładności pomiarów odległości opartych na gwiazdach.
Teraz badanie przeprowadzone przez pierwszego autora artykułu, prof. EPFL Richarda I. Andersona, byłego stażystę EPFL Nolana Koblischke i Laurenta Eyera udoskonala kosmiczne pomiary odległości przy użyciu sygnałów dźwiękowych z czerwonych olbrzymów: Odkryliśmy, że oscylacje akustyczne czerwonych olbrzymów mówią nam, jak najlepiej mierzyć odległości kosmiczne za pomocą metody końcówki asymptotycznej gałęzi olbrzymów – powiedział Anderson.
Pomiar kosmicznych odległości za pomocą czerwonych olbrzymów
Wyjaśnijmy kilka terminów. „Czerwone olbrzymy” to starzejące się gwiazdy. Przybierają one czerwonawy odcień, gdy wyczerpują wodór w swoich jądrach i wykorzystują wodór zewnętrzny, co czyni je większymi i chłodniejszymi.
Na diagramach astronomicznych ewolucja ta prowadzi do powstania „gałęzi czerwonych olbrzymów”, czyli odchylenia wynikającego ze zwiększonej jasności gwiazdy. Końcówka gałęzi czerwonych olbrzymów to punkt krytyczny, w którym gwiazdy te zapalają hel, odwracając ewolucję jasności.
Końcówka gałęzi czerwonych olbrzymów, zaznaczona na diagramie mniejszą liczbą jaśniejszych gwiazd, służy jako „świeca standardowa” do pomiarów odległości kosmicznych. Porównując jej znaną jasność z jasnością obserwowaną w odległych galaktykach, astronomowie mogą obliczyć odległość do niej.
Śpiew w ciemnościach
Naukowcy przeanalizowali dane z Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) i misji Gaia w celu zbadania czerwonych olbrzymów w Wielkim Obłoku Magellana, który jest pobliską galaktyką towarzyszącą krążącą wokół Drogi Mlecznej i służącą jako kluczowe laboratorium do zrozumienia fizyki gwiazd.
W zaskakujący sposób naukowcy odkryli, że wszystkie gwiazdy na końcówce gałęzi olbrzymów w rzeczywistości okresowo zmieniają jasność; fale dźwiękowe przemieszczają się przez gwiazdy jak trzęsienia ziemi na Ziemi, powodując oscylacje. Chociaż oscylacje te były wcześniej znane, ich znacznie dla pomiarów odległości zostało pominięte. Teraz jednak pozwoliły one naukowcom rozróżnić gwiazdy według wieku, oferując bardziej zróżnicowane podejście do pomiaru odległości we Wszechświecie.
Anderson wyjaśnił: Młodsze czerwone olbrzymy w pobliżu końcówki gałęzi olbrzymów są nieco mniej jasne niż ich starsi kuzyni, a oscylacje akustyczne, które obserwujemy jako wahania jasności, pozwalają nam zrozumieć, z jakim typem gwiazd mamy do czynienia: starsze gwiazdy oscylują z niższą częstotliwością – tak jak baryton śpiewa głębszym głosem niż tenor!.
To rozróżnienie ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bardzo dokładnych pomiarów odległości wymaganych w kosmologii i uzyskania najlepszej mapy lokalnego Wszechświata, ponieważ czerwone olbrzymy występują praktycznie w każdej galaktyce.
W badaniu zidentyfikowano również kilka ulepszeń metody pomiaru odległości korzystając z końcówki gałęzi olbrzymów, które są niezbędne do zrozumienia ostatnich debat na temat stałej Hubble’a. Teraz, gdy możemy rozróżnić wiek czerwonych olbrzymów, które tworzą końcówkę gałęzi olbrzymów, będziemy w stanie jeszcze bardziej ulepszyć pomiar stałej Hubble’a na tej podstawie – powiedział Anderson. Takie ulepszenia pozwolą na dalsze testowanie stałej Hubble’a i mogą doprowadzić do przełomowych odkryć w zakresie podstawowych procesów fizycznych, które decydują o ewolucji Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- The baritone of Red Giants refines cosmic distance measurements
- Small-amplitude Red Giants Elucidate the Nature of the Tip of the Red Giant Branch as a Standard Candle
Źródło: EPFL
Na ilustracji: Wielki Obłok Magellana. Źródło: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/SMASH/D. Nidever (Montana State University) Obróbka zdjęć: Travis Rector (University of Alaska Anchorage), Mahdi Zamani i Davide de Martin
