Kalibrering af lysstyrken af ​​nærliggende stjerner for at forfine beregninger af universets alder og ekspansion

Et billede kan være mere end tusind ord værd, men for astronomer er det ikke nok at optage billeder af stjerner og galakser. For at måle den sande størrelse og den absolutte lysstyrke (lysstyrke) af himmellegemer skal astronomer nøjagtigt måle afstanden til disse objekter. For at gøre det stoler forskerne på "standardlys" - stjerner, hvis lysstyrker er så velkendte, at de fungerer som pærer med kendt watt. En måde at bestemme en stjernes afstand fra Jorden på er at sammenligne hvor lys stjernen ser ud på himlen med dens lysstyrke.

Men selv standardlys skal kalibreres. I mere end et årti har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) arbejdet på at forbedre metoderne til kalibrering af standardstjerner. De observerede to nærliggende klare stjerner, Vega og Sirius, for at kalibrere deres lysstyrke over en række bølgelængder af synligt lys. Forskerne er nu ved at færdiggøre deres analyse og planlægger at frigive kalibreringsdataene til astronomer inden for de næste 12 måneder.

Kalibreringsdataene kan hjælpe astronomer, der bruger fjernere standardlys - eksploderede stjerner kendt som type Ia supernovaer - til at bestemme universets alder og ekspansionshastighed. (Sammenligning af lysstyrken af ​​fjerntliggende type Ia supernovaer med nærliggende førte til den nobelprisvindende opdagelse af, at universets udvidelse ikke bremses, som forventet, men faktisk accelererer.)

Astronomer kan muligvis bruge NIST-kalibreringerne af Vega og Sirius til bedre at sammenligne lysstyrken af ​​nærliggende og fjerne type Ia-supernovaer, hvilket fører til mere nøjagtige målinger af universets udvidelse og dets alder.

I den igangværende NIST-undersøgelse observerer forskere de to nærliggende stjerner med et fire-tommer teleskop, de har designet og placeret på toppen af ​​Mount Hopkins i ørkenen i det sydlige Arizona. John Woodward, Susana Deustua og deres kolleger har gentagne gange observeret spektrene, eller farverne, af lys udsendt af Vega (25 lysår væk) og Sirius (8,6 lysår). Et lysår, afstanden som lyset rejser gennem et vakuum er et år, er 9,46 billioner kilometer.

I begyndelsen og slutningen af ​​hver observationsnat vipper forskerne teleskopet nedad, så de kan sammenligne stjernespektrene med spektrene for en kunstig stjerne – en kvartslampe, hvis lysstyrke er blevet nøjagtigt målt og placeret 100 meter fra teleskopet.

Før forskerne direkte kan foretage sammenligningerne, skal de redegøre for virkningen af ​​Jordens atmosfære, som spreder og absorberer noget af stjernelyset, før det kan nå teleskopet. Selvom lyset fra den jordbaserede lampe ikke bevæger sig gennem atmosfærens fulde dybde, spredes noget af det af luften under dens korte, vandrette rejse til teleskopet.

For at vurdere, hvor meget af det jordbaserede lys, der spredes fra lampen, måler NIST-teamet det relative forhold mellem strøm, der genereres af en helium-neon-laser ved dens output og 100 m væk, på stedet for lampen.

For at bestemme, hvor meget stjernelys, der går tabt til Jordens atmosfære, registrerer forskerne mængden af ​​stjernelys, der når teleskopet, når det peger i forskellige retninger og kigger gennem forskellige tykkelser af atmosfæren i løbet af natten. Ændringer i mængden af ​​lys, der registreres af teleskopet, efterhånden som natten skrider frem, gør det muligt for astronomer at korrigere for den atmosfæriske absorption.

Når Vega og Sirius er kalibreret, kan astronomer bruge disse stjerner som trædesten til at kalibrere lyset fra andre stjerner. For eksempel kan forskere ved at bruge det samme teleskop observere et sæt lidt svagere stjerner – kald dem sæt 2. Lysstyrken af ​​disse svagere stjerner kan derefter kalibreres ved hjælp af Vega og Sirius som referencestandarder.

Ved at skifte til et teleskop, der er stort nok til at observere både det nyligt kalibrerede sæt 2 og en gruppe af endnu svagere stjerner (kald dem sæt 3), kan astronomer kalibrere lyset fra sæt 3 i forhold til sæt 2. Astronomer kan gentage processen efter behov at kalibrere lys fra ekstremt fjerne stjerner. På denne måde vil astronomer være i stand til at overføre NIST-kalibreringen af ​​Vega og Sirius til stjerner, der ligger tusinder til millioner af lysår væk.

Næste år vil Deustua og Woodward flytte deres lille teleskop, nu tilbage ved NIST, til European Southern Observatorys (ESO's) Paranal Observatory i den højtliggende ørken i det nordlige Chile. Med tørrere klima end Mt. Hopkins lover det chilenske sted flere klare nætter til at observere Sirius og Vega og mindre fugt til at absorbere eller sprede lyset. Teleskopet vil ligge på en bjergtop væk fra ESO's Very Large Telescope, en suite af fire 8,2 m teleskoper og fire 1,2 m teleskoper, så lyset fra NISTs kvartslampe ikke forstyrrer observationer af fjerne galakser.

Holdet planlægger også at udvide sit repertoire af lyse nærliggende stjerner til at omfatte Arcturus (37 lysår), Gamma Crucis (89 lysår) og Gamma Trianguli Australis (184 lysår) og at observere stjerner ved længere, infrarøde bølgelængder . Det nyligt opsendte James Webb-rumteleskop og det romerske rumteleskop, der er sat til opsendelse i slutningen af ​​årtiet, er designet til at undersøge universet ved disse bølgelængder.

NIST-forskerne modtog for nylig startpenge til at bygge et større teleskop, som kunne observere og kalibrere svagere, fjernere stjerner. Det ville gøre det muligt for astronomer at overføre NIST-kalibreringen til fjerntliggende standardlys mere direkte. At reducere antallet af trædesten mellem stjernerne observeret af NIST og de stjerner, astronomerne studerer, reducerer kalibreringsfejl. + Udforsk yderligere

Finder James Webb-rumteleskopet den fjerneste, ældste, yngste eller første galakse? En astronom forklarer