To astronomer, hundrede år fra hinanden, bruge stjerner til at måle universet

Hele vores forståelse af universet er baseret på at kende afstandene til andre galakser, men dette tilsyneladende simple spørgsmål viser sig at være frygteligt svært at besvare. Det bedste svar kom for mere end 100 år siden fra en astronom, der for det meste var ukendt i sin tid - og i dag, en anden astronom har brugt Sloan Digital Sky Survey (SDSS) data til at gøre disse afstandsmålinger mere præcise end nogensinde.

"Det har været fascinerende at arbejde med så historisk betydningsfulde stjerner, "siger Kate Hartman, en bachelor fra Pomona College, der annoncerede resultaterne på dagens American Astronomical Society (AAS) møde i National Harbor, Maryland. Hartman studerede "Cepheid -variabler, "en type stjerne, der periodisk pulserer ind og ud, varierende i lysstyrke i løbet af et par dage eller uger.

Mønsteret blev først bemærket i 1784 i stjernebilledet Cepheus på den nordlige himmel, så disse stjerner blev kendt som "Cepheid -variabler." Cepheid -variabler gik fra interessante til helt uundværlige i begyndelsen af ​​1900'erne takket være astronomen Henrietta Leavitts arbejde. Leavitts bidrag blev stort set ignoreret af en enkel grund - hun var en kvinde på et tidspunkt, hvor kvinder ikke blev taget alvorligt som astronomer.

Faktisk, da Leavitt første gang blev ansat af Harvard College Observatory i 1895, hun blev ansat som en "computer" - et begreb, der betød noget helt andet end det betyder i dag. I dagene før moderne computere eller endda lommeregnere, en "computer" var en person, der blev ansat til at udføre komplekse beregninger i deres sind, kun hjulpet af blyant og papir. Selvom arbejdet var krævende, det blev ikke taget alvorligt af datidens mandlige professionelle videnskabsmænd - det blev betragtet som rutinearbejde, der ikke krævede intelligens eller indsigt, som enhver kunne udføre, endda en kvinde.

Så i 1908, da Leavitt opdagede et forhold mellem lysstyrken (eller "lysstyrken") af en Cepheid -variabel stjerne og den tid, det tog at gennemgå en fuld cyklus af ændringer (dens "periode"), hendes arbejde blev ikke umiddelbart anerkendt for dets betydning. Det tog år for det mest mandlige astronomisamfund at indse, at dette forhold (i dag kendt som "Leavitt-loven") betyder, at måling af perioden for en Cepheid-variabel umiddelbart giver dens sande lysstyrke-og desuden, at sammenligne dette med dets tilsyneladende lysstyrke umiddelbart giver sin afstand.

Desværre, det var først efter Leavitts død af kræft i en alder af 53, at astronomer indså, at hun havde fundet nøglen til at låse op for afstande til sådanne stjerner overalt - uanset om det var i vores Mælkevej eller i en galakse i det fjerne univers.

Ved hjælp af det periode-lysstyrke-forhold, som Leavitt opdagede, andre beregnede senere afstandene til Cepheid -variabler i galakser uden for vores egen Mælkevej. Derved, de opdagede, at vores univers ekspanderer, startende fra et enkelt punkt for mere end 14 milliarder år siden ved Big Bang - en opdagelse, der aldrig ville have været mulig uden opdagelsen af ​​Leavitt -loven.

Mere end et århundrede senere, astronomer som Hartman fortsætter Leavitts arbejde. Hendes meddelelse kom som et resultat af et ti ugers sommerforskningsprojekt på Carnegie Observatories. Hartman arbejdede tæt sammen med sin forskningsrådgiver, Rachael Beaton, en Hubble og Carnegie-Princeton-stipendiat nu baseret på Princeton University.

Værktøjet, Hartman og Beaton bruger til at forbedre vores viden om Cepheid -variabler, er Sloan Digital Sky Survey's Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE), som systematisk kortlægger de kemiske sammensætninger og bevægelser af stjerner i alle komponenter i vores galakse.

Som Beaton forklarer, "APOGEE -undersøgelsen er optimeret til at studere det fede, gamle gigantiske stjerner fundet overalt i vores galakse. Og mens Cepheid -variabler er yngre og større, de er ens i temperatur, så de er velegnede til APOGEE. "

Det faktum, at Cepheid -variabler optræder i APOGEE -undersøgelsen, giver en fantastisk mulighed for at kalibrere Leavitt -loven, men giver også en stor fordel:det giver astronomer mulighed for at kortlægge unge stjerner på samme måde som de kortlægger gamle kæmpestjerner. Ved at kortlægge disse to typer stjerner sammen kan astronomer forbinde strukturer fra den gamle galakse til nyere dannede komponenter. På denne måde, Cepheid -variabler kan tilbyde en enorm indsigt i strukturen af ​​vores galakse - men sådan indsigt kommer med komplikationer.

Selve egenskaben ved disse stjerner, der gjorde det muligt for Henrietta Leavitt at opdage Leavitt -loven - deres forudsigelige variationer i lysstyrke - skaber udfordringer for APOGEE. "Over en pulsationscyklus af en Cepheid -variabel, stjernens egenskaber ændres, "siger Beaton." Dens temperatur, overfladegravitation, og atmosfæriske egenskaber kan variere meget over ganske kort tid. Så hvordan kan APOGEE måle dem korrekt? Jeg tænkte, at det ville være et glimrende sommerforskningsprojekt at finde ud af. "

Bachelorstudenten til at tage udfordringen op var Kate Hartman fra Pomona College i Claremont, Californien. Hartman var i stand til at demonstrere, at det er muligt at få konsekvente målinger af den kemiske sammensætning af Cepheid -variabler, uanset hvornår i deres cyklus de blev observeret af APOGEE.

Hartman forklarer, "Jeg var nødt til at se på flere spektre fra den samme Cepheid -variabel og måle mængden af ​​forskellige elementer i stjernen. Da vi kiggede på en stjernes spektrum i hele dens pulseringscyklus, vi fandt ingen signifikante forskelle i resultaterne. Det betyder, at vi får pålidelige resultater, hver gang vi ser. "

At vide, at APOGEE pålideligt kan måle Cepheid -variabler, er særlig vigtigt, Hartman forklarer, fordi det er den første undersøgelse, der ser så mange, så regelmæssigt, og mange steder. Fordi APOGEE nu opererer samtidigt med tvillinginstrumenter på teleskoper i både den nordlige og den sydlige halvkugle, den kan se hele galaksen, samt vores naboer den store og lille magellanske sky. Det betyder, at Cepheids kan observeres i meget forskellige kemiske miljøer, bruger det samme instrument og dataanalyseprocessen hver gang.

Som et resultat af Hartmans fund, yderligere APOGEE -observationer af Cepheid -variabler er nu godt i gang. Jen Sobeck fra University of Washington, APOGEEs projektleder, forklarer, "Undersøgelsen vil observere de mest nærliggende og velstuderede cepheider med observationer flere gange om måneden, vil målrette Cepheids i den Store og Små Magellanske Sky i januar, og planlægger til sidst at målrette mod alle cepheider i alle dele af himlen, vi observerer. Disse observationer er en vigtig tilføjelse til APOGEE -kortet over galaksen. "

Med direkte afstande fra trigonometriske parallakser til en milliard stjerner i vores galakse, der snart kommer fra ESA Gaia -missionen, APOGEE -spektroskopien er det sidste stykke i puslespillet for at fuldføre det arbejde, der blev startet af Henrietta Leavitt i 1908 og give en nøjagtig kalibrering af Leavitt -loven i alle Cepheid -variable stjerner. Og den kommende Sloan Digital Sky Survey V vil levere endnu bedre data. Med alle disse nye værktøjer til deres rådighed, astronomer vil kunne følge op på astronomernes arbejde som Leavitt - og Hartman - i generationer fremover.