Dla większości z nas niezliczone jasne punkty na nocnym niebie wydają się być gwiazdami. Ale w rzeczywistości niektóre z tych plam to tak naprawdę planety, odległe słońca, a nawet całe galaktyki oddalone o miliardy lat świetlnych. To, na co patrzysz, zależy od odległości od Ziemi. Dlatego pomiar dokładnej odległości do ciał niebieskich jest tak ważnym celem astronomów i jednym z największych wyzwań, przed którymi obecnie stoją.
Mając to na uwadze, dziesięć lat temu Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wystrzeliła misję Gaia. Dane zebrane przez satelitę Gaia otwierają okno na pobliski Wszechświat, dostarczając pomiarów astronomicznych – takich jak pozycja, odległość od Ziemi i ruch – na prawie dwóch miliardach gwiazd.
W EPFL grupa badawcza Standard Candles and Distances, na której czele stoi prof. Richard Anderson, zamierza zmierzyć obecną ekspansję Wszechświata i postrzega Gaję jako cenne narzędzie. „Gaia zwiększyła 10 000 razy liczbę gwiazd, których paralaksy mierzone są dzięki ogromnemu wzrostowi dokładności w porównaniu z poprzednią misją, misją Hipparcos ESA” – mówi. Obecnie naukowcy wykorzystują paralaksy do obliczania odległości do gwiazd. Metoda ta polega na pomiarze kątów paralaksy za pomocą satelity w formie triangulacji pomiędzy położeniem Gai w przestrzeni, Słońcem i daną gwiazdą. Im dalej gwiazda, tym trudniejszy jest pomiar, ponieważ paralaksa maleje wraz ze wzrostem odległości.
Pomimo ogromnego sukcesu Gai, pomiar paralaksy jest złożony i istnieją niewielkie, systematyczne efekty, które należy sprawdzić i skorygować, aby paralaksy Gaia osiągnęły swój pełny potencjał. Właśnie nad tym pracowali naukowcy z EPFL i Uniwersytetu w Bolonii we Włoszech, na podstawie obliczeń przeprowadzonych na ponad 12 000 oscylujących czerwonych olbrzymach* – co stanowi największą próbkę i najdokładniejsze jak dotąd pomiary.
„Zmierzyliśmy błąd Gai, porównując paralaksy zgłoszone przez satelitę z paralaksami tych samych gwiazd, które ustaliliśmy za pomocą asterosejsmologii” – mówi Saniya Khan, naukowiec z grupy badawczej Andersona i główna autorka badania opublikowanego dzisiaj w Astronomy & Astrophysics .
Gwiezdne trzęsienia ziemi
W ten sam sposób, w jaki geolodzy badają strukturę Ziemi za pomocą trzęsień ziemi, astronomowie korzystają z asterosejsmologii, a konkretnie z wibracji i oscylacji gwiazd, aby zebrać informacje o ich właściwościach fizycznych. Oscylacje gwiazd są mierzone jako niewielkie zmiany natężenia światła i przekładane na fale dźwiękowe, tworząc widmo częstotliwości tych oscylacji.
„Widmo częstotliwości pozwala nam określić, jak daleko znajduje się gwiazda, co pozwala nam uzyskać asterosejsmiczne paralaksy” – mówi Khan. „W naszym badaniu słuchaliśmy «muzyki» ogromnej liczby gwiazd – niektóre z nich znajdowały się w odległości 15 000 lat świetlnych!”
Aby przekształcić dźwięki w pomiary odległości, zespół badawczy zaczął od prostego faktu. Prędkość, z jaką fale dźwiękowe rozchodzą się w przestrzeni, zależy od temperatury i gęstości wnętrza gwiazdy. „Analizując widmo częstotliwości oscylacji gwiazd, możemy oszacować rozmiar gwiazdy, podobnie jak można określić wielkość instrumentu muzycznego na podstawie rodzaju wydawanego przez niego dźwięku – pomyśl o różnicy w wysokości między skrzypcami a skrzypcami wiolonczela” – mówi Andrea Miglio, profesor zwyczajny na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Bolonii oraz trzeci autor badania.
Wyrafinowane analizy
Obliczywszy w ten sposób rozmiar gwiazdy, astronomowie określili następnie jej jasność i porównali tę liczbę z jasnością postrzeganą tutaj, na Ziemi. Połączyli te informacje z odczytami temperatury i składu chemicznego uzyskanymi za pomocą spektroskopii, a następnie poddali te dane zaawansowanym analizom w celu obliczenia odległości do gwiazdy. Na koniec astronomowie porównali paralaksy uzyskane w tym procesie z paralaksami zgłoszonymi przez Gaię, aby sprawdzić dokładność pomiarów satelity.
„Asterosejsmologia to jedyny sposób, w jaki możemy sprawdzić dokładność paralaksy Gai na całym niebie – to znaczy zarówno w przypadku gwiazd o niskiej, jak i wysokiej intensywności” – mówi Anderson. Przyszłość tej dziedziny jest jasna, jak podkreśla Khan:
„Nadchodzące misje kosmiczne, takie jak TESS i PLATO, mające na celu wykrywanie i badanie egzoplanet, będą wykorzystywać asterosejsmologię i dostarczać wymagane zbiory danych w coraz większych obszarach nieba. Metody podobne do naszej będą zatem odgrywać kluczową rolę w ulepszaniu pomiarów paralaksy Gai, co pomoże nam wskazać nasze miejsce we Wszechświecie i skorzystać z wielu dziedzin astronomii i astrofizyki.”