Løsning af mangeårige mysterier om de første parallakser i astronomi

I 1838, Friedrich Wilhelm Bessel vandt kapløbet om at måle den første afstand til en anden stjerne end vores sol via den trigonometriske parallakse – som sætter universets første skala.

For nylig, Mark Reid og Karl Menten, som er involveret i parallaksemålinger ved radiobølgelængder, genbesøgte Bessels originale publikationer om "hans" stjerne, 61 Cygni, offentliggjort i Astronomische Nachrichten (astronomiske noter). Mens de generelt kunne gengive resultaterne opnået af Bessel og to samtidige astronomer fra det 19. århundrede, de eminente Friedrich Georg Wilhelm von Struve og Thomas Henderson, de opdagede, hvorfor nogle af disse tidlige resultater var statistisk inkonsistente med moderne målinger.

Af ærbødighed for Bessel, Reid og Menten besluttede også at offentliggøre deres resultater i Astronomische Nachrichten. Grundlagt i 1821, det var et af de første astronomiske tidsskrifter i verden og er det ældste, der stadig udgives.

At kende afstanden til astronomiske objekter er af fundamental betydning for al astronomi og for at vurdere vores plads i universet. De gamle grækere placerede de ubevægelige "faste" stjerner længere væk end de himmelsfærer, som de troede, planeterne bevægede sig på. Imidlertid, spørgsmålet "hvor meget længere?" undgik et svar i århundreder, efter at astronomer begyndte at forsøge at adressere det. Tingene kom til et hoved i slutningen af ​​1830'erne, da tre astronomer nulstillede forskellige stjerner, tilbringer mange nætter ved deres teleskop, ofte under barske forhold. Det var Friedrich Wilhelm Bessel, der vandt løbet i 1838 ved at meddele, at afstanden til dobbeltstjernesystemet 61 Cygni er 10,4 lysår. Dette beviste, at stjerner ikke bare er lidt længere væk fra os end planeter, men mere end en million gange længere – et virkelig transformationsresultat, der totalt reviderede universets skala, som det blev kendt i det 19. århundrede.

Bessels måling var baseret på den trigonometriske parallaksemetode. Denne teknik er i det væsentlige triangulering, som bruges af landmålere til at bestemme afstande på land. Astronomer måler den tilsyneladende position af en "nærliggende" stjerne mod langt fjernere stjerner, bruge Jordens kredsløb om Solen til at give forskellige udsigtspunkter over et års tid.

Bessel måtte foretage sine smertefulde målinger over næsten 100 nætter ved sit teleskop. Astronomer er nu langt mere "effektive". Gaia-rummissionen måler nøjagtige afstande for hundreder af millioner af stjerner, med stor indflydelse på astronomi. Imidlertid, på grund af interstellart støv, der gennemsyrer Mælkevejens spiralarme, Gaia har svært ved at observere stjerner i det galaktiske plan, der er længere væk fra Solen end omkring 10, 000 lysår - dette er kun 20% af Mælkevejens størrelse på mere end 50, 000 lysår. Derfor, selv en mission så stærk som Gaia vil ikke give det grundlæggende layout af vores galakse, hvoraf mange aspekter stadig er under debat - selv antallet af spiralarme er usikkert.

For bedre at kunne adressere strukturen og størrelsen af ​​Mælkevejen, Mark Reid fra Center for Astrofysik | Harvard-Smithsonian og Karl Menten fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) indledte et projekt for at bestemme afstandene til radiokilder, der er begrænset til spiralarme af Mælkevejen. Deres foretrukne teleskop er Very Long Baseline Array, en samling af 10 radioteleskoper, der strækker sig fra Hawaii i vest til de østlige spidser af USA. Ved at kombinere signalerne fra alle 10 teleskoper tusindvis af kilometer fra hinanden kan man lave billeder af, hvad man kunne se, hvor vores øjne var følsomme over for radiobølger og adskilt næsten på størrelse med Jorden.

Dette projekt udføres af et internationalt team, med forskere fra MPIfR, der yder store bidrag – MPIfR-direktør Karl Menten har haft et frugtbart samarbejde med Mark Reid i mere end 30 år. Hvornår, tæt på projektets start, et fængende akronym blev diskuteret, de valgte at kalde det Bar and Spiral Structure Legacy Survey, kort sagt BeSSeL-undersøgelsen. Selvfølgelig, de havde den store astronom og matematiker og parallaksepioner Friedrich Wilhelm Bessel i tankerne.

Som i al eksperimentel eller observationsvidenskab, målinger opnår kun mening, hvis deres usikkerheder kan bestemmes på en pålidelig måde. Dette er også brødet og smørret inden for radioastrometri, og det får stor opmærksomhed af BeSSeL-projektets astronomer. På Bessels tid, astronomer havde lært at være opmærksomme på målefejl og at redegøre for dem, når de udledte resultater fra deres data. Dette involverede ofte kedelige beregninger udelukkende udført med blyant og papir. Naturligt, en videnskabsmand af Bessels kaliber var udmærket klar over at følge ethvert problem, der muligvis kunne påvirke hans observationer. Han indså, at temperaturvariationer i hans teleskop kritisk kunne påvirke hans delikate målinger. Bessel havde et fremragende instrument på sit observatorium i Königsberg i Preussen (det nuværende russiske Kaliningrad), som kom fra den geniale instrumentmager Joseph Fraunhofer og var den sidste han byggede. Alligevel, variabel temperatur havde en stor indflydelse på de observationer, der kræves til en parallaksemåling, som skal fordeles over et helt år; nogle er lavet i varm sommer og andre i kolde vinternætter.

Mark Reid blev interesseret i Bessels originale arbejde og studerede hans papirer om 61 Cygni. Han bemærkede nogle små uoverensstemmelser i målingerne. For at imødegå disse begyndte han og Karl Menten at grave dybere ned i den originale litteratur. Bessels papirer blev først udgivet på tysk, i Astronomische Nachrichten, selvom nogle uddrag blev oversat til engelsk og optrådte i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Dermed, de originale tyske versioner skulle undersøges, hvor Mentens modersmål kom godt med.

Reid og Menten satte også resultaterne af Bessels nærmeste konkurrenter under lup. Thomas Henderson, som arbejdede i Cape Town, Sydafrika, målrettet α Centauri, stjernesystemet, der nu vides at være tættest på vores sol. Kort efter Bessel annoncerede sit resultat, Henderson offentliggjorde en afstand til denne stjerne.

Den eminente astronom Friedrich Georg Wilhelm von Struve målte α Lyrae (Vega). Litteratursøgningen efter von Struves data involverede en del detektivarbejde. En detaljeret redegørelse for den blev kun udgivet på latin som et kapitel af en omfangsrig monografi. MPIfR-bibliotekaren sporede en kopi til det bayerske statsbibliotek, som har leveret det i elektronisk form. Det har længe været et mysterium, hvorfor von Struve annoncerede en foreløbig afstand til Vega, et år før Bessels resultat for 61 Cygni, kun for at ændre den til at fordoble den afstand senere med flere målinger. Det ser ud til, at von Struve først brugte alle sine målinger, men til sidst mistede tilliden til nogle og kasserede dem. Havde han ikke gjort det, han ville sandsynligvis have fået mere kredit.

Reid og Menten kan generelt gengive resultaterne opnået af alle tre astronomer, men fandt ud af, at von Struve og Henderson undervurderede nogle af deres måleusikkerheder, hvilket fik deres parallakser til at fremstå noget mere betydningsfulde, end de faktisk var. "At se Bessels over skulderen var en bemærkelsesværdig oplevelse og sjov, " siger Mark Reid. "At se dette værk både i en astronomisk og historisk kontekst har virkelig været fascinerende, " slutter Karl Menten.