Dla zawodowych astronomów zwykłe utrwalanie obrazów gwiazd i galaktyk to zdecydowanie za mało. Aby móc zmierzyć prawdziwe rozmiary i jasności absolutne ciał niebieskich, muszą na przykład dokładnie zmierzyć odległości do tych obiektów. Do tego z kolei, wykorzystują często tak zwane świece standardowe – na przykład gwiazdy, których typowa jasność jest tak dobrze poznana, że w praktyce funkcjonują jak żarówki o znanej mocy. Jednym ze sposobów na określenie odległości takiej gwiazdy jest wówczas porównanie jej obserwowanej jasności na niebie z jej jasnością absolutną.
Jednak nawet te standardowe świece wymagają kalibracji – inaczej wzorcowania. Od ponad dekady naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) pracują nad udoskonaleniem metod kalibracji gwiazd „standardowych”. Obserwują dwie pobliskie i jasne gwiazdy, Wegę i Syriusza, aby dobrze skalibrować ich jasności w zakresie światła widzialnego. Obecnie kończą już swoje analizy i planują udostępnić innym astronomom uzyskane dane kalibracyjne w ciągu najbliższych miesięcy.
Te dane kalibracyjne mogą w szczególności bardzo pomóc astronomom, którzy używają w swej pracy jeszcze bardziej odległych świec standardowych, czyli eksplodujących gwiazd znanych jako supernowe typu Ia, do wyznaczenia wieku i zarazem tempa ekspansji Wszechświata. Właśnie porównanie jasności odległych supernowych typu Ia z tymi pobliskimi zaowocowało przyznaniem Nagrody Nobla w 2011 roku – za odkrycie, że rozszerzanie się Wszechświata nie spowalnia, jak się spodziewano, ale w rzeczywistości przyspiesza. Teraz astronomowie będą mogli wykorzystać kalibracje z NIST dla Wegi i Syriusza, aby móc lepiej porównywać jasności pobliskich i odległych supernowych tego typu, co pozwoli na dokładniejsze pomiary ekspansji kosmosu i jego wieku.
W ramach trwających badań uczeni obserwują dwie pobliskie gwiazdy za pomocą czterocalowego teleskopu, który zaprojektowali i umieścili na szczycie góry Hopkins na pustyni w południowej Arizonie. John Woodward, Susana Deustua i ich zespół wielokrotnie rejestrują widma, czyli wykresy barw światła emitowanego przez Wegę (oddaloną od nas o około 25 lat świetlnych) i Syriusza (8,6 lat świetlnych). Na początku i końcu każdej nocy obserwacyjnej kierują dodatkowo swój teleskop w dół, aby porównać widma gwiazd z widmem swojego rodzaju sztucznej gwiazdy, a w praktyce lampy kwarcowej, której jasność jest znana i dokładnie zmierzona, umieszczonej w odległości 100 metrów od teleskopu.
Zanim jednak naukowcy będą w stanie bezpośrednio dokonać porównań tych widm, muszą jeszcze uwzględnić wpływ ziemskiej atmosfery, która rozprasza i pochłania część światła gwiazd, nim dotrze ono do teleskopu. Choć światło lampy naziemnej nie ma do pokonania całej, grubej warstwy atmosfery, jego część jest również rozpraszana przez powietrze podczas krótkiej, poziomej podróży do wnętrza instrumentu. Aby określić, jak wiele światła odległych gwiazd rozprasza się w ziemskiej atmosferze, badacze rejestrują ilość tego światła docierającego do teleskopu, gdy jest on skierowany w różnych kierunkach i przez to obserwuje niebo poprzez różnej grubości warstwy atmosfery w ciągu całej nocy. Zmiany w ilości światła rejestrowanego przez teleskop w miarę jej upływu pozwalają astronomom skorygować wpływ tzw. absorpcji atmosferycznej.
Po dokonaniu kalibracji Wegi i Syriusza będzie już można wykorzystać te dwie gwiazdy jako punkty odniesienia dla kalibracji światła innych gwiazd. Na przykład, używając tego samego teleskopu, badacze mogą obserwować zestaw nieco słabszych gwiazd. Jasność tych słabszych gwiazd może być następnie skalibrowana przy użyciu Wegi i Syriusza jako wzorców odniesienia. Z kolei po przełączeniu się na teleskop większy, wystarczająco duży, by obserwować zarówno nowo skalibrowany zestaw słabszych, jak i grupę gwiazd jeszcze słabszych, można będzie w podobny sposób skalibrować ich jasności w odniesieniu do zestawu „pośredniego”. Astronomowie mogą powtarzać ten proces w miarę potrzeby, aby ostatecznie skalibrować światło pochodzące z bardzo odległych gwiazd. W ten sposób będą też mogli dokonać przeniesienia początkowej kalibracji NIST dla Wegi i Syriusza na gwiazdy leżące w odległościach tysięcy i milionów lat świetlnych.
W przyszłym roku Deustua i Woodward przeniosą swój niewielki teleskop do Obserwatorium Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Paranal, na wysoko położonej pustyni w północnym Chile. Dzięki znacznie suchszemu klimatowi chilijska lokalizacja oferuje znacznie więcej pogodnych nocy do obserwacji Syriusza i Wegi. Jest tam także mniej wilgoci, która pochłania i rozprasza światło.
Teleskop na Mt. Hopkins w Arizonie. Źródło: J. Woodward/NIST
Zespół planuje również rozszerzyć swój zbiór obserwowanych jasnych, pobliskich gwiazd o Arktura (odległość: 37 lat świetlnych), Gamma Crucis (89 lat świetlnych) i Gamma Trianguli Australis (184 lata świetlne) oraz prowadzić dalsze obserwacje gwiazd na dłuższych falach podczerwonych. Dlaczego? Niedawno uruchomiony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba oraz Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman, który ma zacząć pracę pod koniec tego dziesięciolecia, są przeznaczone do badań Wszechświata właśnie na tych długościach fal. Uczeni z NIST otrzymali też jakiś czas temu pieniądze na budowę większego teleskopu, którym będą mogli obserwować i kalibrować słabsze, bardziej odległe gwiazdy. Pozwoliłoby to na bardziej bezpośrednie przeniesienie kalibracji zespołu NIST na odległe świece standardowe, przy czym zmniejszenie liczby poszczególnych kroków przy przenoszeniu kalibracji zmniejszy błędy kalibracyjne.
Czytaj więcej:
Źródło: National Institute of Standards and Technology
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Astronomowie używają jasności absolutnej gwiazd znanych jako supernowe typu IA (jedna z nich jest widoczna tu jako jasnoniebieska kropka, leżąca na lewo od odległej galaktyki spiralnej) do wyznaczania wieku Wszechświata. Nowe kalibracje jasności pobliskich gwiazd mogą pomóc w udoskonaleniu tego rodzaju pomiarów. Źródło: NASA, ESA, J. DePasquale (STScI), M. Kornmesser and M. Zamani (ESA/Hubble), A. Riess (STScI/JHU) and the SH0ES team, and the Digitized Sky Survey
