Przejdź do treści

Jak astronomowie mierzą gwiazdy z pomocą planetoid

VERITAS array

Jak ocenić średnice odległych gwiazd? Astronomowie właśnie znaleźli nową metodę.

Od dziesięcioleci obserwuje się asteroidy, które na pewien czas blokują światło znajdujących się za nimi gwiazd. To tak zwane okultacje  - zjawiska, które ujawniają kształty i rozmiary asteroid, rzucając ich specyficzne cienie na Ziemię. Ale od niedawna możemy też wykorzystać zjawiska okultacji w celu zmierzenia rozmiarów samych gwiazd.

Służy do tego sieć o nazwie VERITAS - Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, która znajduje się w Arizonie. To grupa czterech dwunasto metrowych teleskopów, z których każdy złożony jest z 350 sześciokątnych segmentów zwierciadlanych. Sieć taka pozwala na precyzyjne obserwacje błękitnej poświaty związanej z promieniowaniem Czerenkowa - powstającym, gdy kosmiczne promieniowanie gamma wpada w ziemską atmosferę. Ale teleskop ten potrafi też - w pewnym sensie - obserwować niebo w świetle widzialnym.

Doktor Wystan Benbow i jego zespół skierowali w tym celu sieć VERITAS na omiatające Ziemię, niewielkie cienie asteroid. Pierwszą z nich była planetoida 1165 Imprinetta o średnicy 60 kilometrów, która przeszła na tle tarczy gwiazdy TYC 5517-227-1. Instrument VERITAS umożliwił wykonanie 300 dokładnych zdjęć na sekundę podczas tej okultacji, dzięki czemu oszacowano, że gwiazda jest aż 11 razy większa od Słońca. Kilka miesięcy później asteroida 201 Penelopa przeszła przed gwiazdą TYC 278-748-1. Tym razem VERITAS uchwycił aż 2500 obrazów na sekundę, w czasie, gdy cień asteroidy omiótł Ziemię. Pozwoliło to na zmierzenie średnicy tej jeszcze mniejszej gwiazdy, która okazała się być tylko dwukrotnie większa od Słońca.

Choć zwierciadła teleskopów VERITAS są dość proste, dokładny pomiar średnic odległych gwiazd umożliwia niesamowita rozdzielczość czasowa tej sieci teleskopów. Dodatkowo są one bardzo duże, co ma duże znaczenie dla dokładnych pomiarów z bardzo szybkimi częstotliwościami próbkowania. Wielkie detektory takie jak VERITAS nie mają też problemu z wpływem silnego szumu scyntylacyjnego, czyli migotania obrazów gwiazd powodowanego turbulentnymi ruchami powietrza w ziemskiej atmosferze.

VERITAS

Na ilustracji: Okultacja gwiazdy przez przechodzącą na jej tle asteroidę - wizja artystyczna.
Źródło: DESY/Lucid Berlin

Aby zmierzyć rozmiar zakrytej gwiazdy, astronomowie muszą najpierw uchwycić delikatne prążki wzoru dyfrakcyjnego pojawiające się na krawędzi rzucanego cienia. Prążki znajdują się tam, gdzie fale świetlne łączą się i znoszą tak, że w rezultacie pochodzący od nich sygnał sumarycznie zmniejsza się lub zwiększa. W rzeczywistości każdy cień ma podobne prążki dyfrakcyjne na swoich krawędziach, ale w przypadku dużych obiektów, z którymi na co dzień mamy do czynienia, są one dla nas niedostrzegalne. Gdy natomiast planetoida przechodzi przed gwiazdą, ona sama jest niewidoczna, ale obserwator zobaczy wówczas, że chwilowo przyciemniona gwiazda migocze. Dzięki prążkom dyfrakcyjnym obserwowanym wzdłuż krawędzi cienia planetoidy jasność gwiazdy będzie się jednak wówczas zmieniać w przewidywalny sposób tuż przed i tuż po styku rzucanego cienia z Ziemią. Porównując prążki widoczne wokół zakrytej gwiazdy z prążkami dookoła prawdziwego źródła punktowego bez efektu okultacji astronomowie mogą precyzyjnie zmierzyć średnicę gwiazdy.

Oszacowania te są jednak wciąż obarczone dużą niepewnością pomiarową - głównie ze względu na niepewność wyznaczonych niezależnie parametrów orbitalnych planetoid. Jeśli tylko wystąpią jakieś nieprzewidziane odchyłki od ruchu danej planetoidy, to naziemna sieć VERITAS nie jest w stanie za nią podążać. Przykładowo, cień asteroidy Imprinetta miał tylko około 50% szans na przejście ponad siecią poszczególnych elementów VERITAS, a cień Penelopy jeszcze mniej, bo zaledwie 29%. Naukowcy wykazali natomiast, że każdy teleskop zdolny do obserwacji gwiazd o jasności rzędu 10 mag jest w stanie zaobserwować około pięciu podobnych okultacji rocznie.

Metoda ta może się też sprawdzić w przypadku nadchodzących dopiero teleskopów nowej generacji, w tym Teleskopu Magellana, który może dotrzeć do znacznie słabszych gwiazd. Z kolei planowany LSST (Large Synoptic Survey Telescope) będzie miał unikalną zdolność przechwytywania obrazów obiektów na niebie w jeszcze szybszym tempie. Oba te teleskopy mają ujrzeć swe pierwsze światło na początku kolejnego dziesięciolecia.

 

Czytaj więcej:


Źródło: Nature, Sky&Telescope

Na zdjęciu: Cztery teleskopy sieci VERITAS.
Źródło: NSF/VERITAS