Na bijna een decennium van nauwkeurige waarnemingen heeft een internationaal team van astronomen de afstand tot ons buurstelsel, de Grote Magelhaense Wolk, nauwkeuriger kunnen meten dan ooit. De nieuwe meting verbetert ook onze kennis van de snelheid waarmee het heelal uitdijt – de Hubble-constante – en is van cruciaal belang voor het oplossen van het raadsel van de donkere energie, die de kosmische uitdijing versnelt.
Het team maakte onder meer gebruik van telescopen van de ESO-sterrenwacht op La Silla, in het noorden van Chili. Hun resultaat verschijnt op 7 maart 2013 in het tijdschrift Nature. Astronomen peilen de schaal van het heelal door eerst de afstanden tot nabije objecten te meten en deze ‘standaardkaarsen’ [1] te gebruiken om de afstanden tot steeds verder weg gelegen objecten vast te pinnen. Maar deze keten is slechts zo nauwkeurig als zijn zwakste schakel. Tot nu toe viel het niet mee om een betrouwbare afstand te vinden voor de Grote Magelhaense Wolk (GMW), een van de naaste buren van de Melkweg. Omdat sterren van dit sterrenstelsel worden gebruikt om de afstandsschaal voor verder weg gelegen stelsels vast te leggen, is dat van cruciaal belang.
Waarnemingen van een zeldzaam soort dubbelsterren hebben astronomen nu in staat gesteld om een veel nauwkeurigere waarde voor de afstand van de GMW te vinden: 163.000 lichtjaar.
‘Ik ben hier heel gelukkig mee, omdat astronomen al honderd jaar hebben geprobeerd om de afstand tot de Grote Magelhaense Wolk nauwkeurig te meten, en dat bleek ontzettend moeilijk te zijn,’ zegt Wolfgang Gieren (Universidad de Concepción, Chili), een van de leiders van het onderzoeksteam. ‘Nu hebben we dit probleem opgelost met een resultaat dat aantoonbaar tot op 2% nauwkeurig is.’
De verbeterde meting van de afstand tot de Grote Magelhaense Wolk resulteert ook in betere afstanden voor veel zogeheten cepheïden [2]. Deze heldere, pulserende sterren worden als standaardkaarsen gebruikt om de afstanden tot verder weg gelegen sterrenstelsels te meten en de uitdijingssnelheid van het heelal – de Hubble-constante – te bepalen. Deze laatste is op zijn beurt weer de basis voor de verkenning van het heelal tot aan de verste sterrenstelsels die we met de huidige telescopen kunnen zien. De nauwkeurige afstand tot de Grote Magelhaense Wolk verbetert dus ook de nauwkeurigheid van de huidige metingen van de grootst mogelijke afstanden in het heelal.
De astronomen konden de afstand tot de Grote Magelhaense Wolk bepalen door een bepaald soort nauwe dubbelsterren waar te nemen: zogeheten bedekkingsveranderlijken [3]. Vanaf de aarde gezien bewegen de sterren van zo’n dubbelster om en om voor elkaar langs. Deze onderlinge bedekkingen resulteren in regelmatige helderheidsveranderingen van de dubbelster als geheel [4].
Door die helderheidsveranderingen heel nauwkeurig te volgen, en de baansnelheden van de beide sterren te meten, kan worden vastgesteld hoe groot en hoe zwaar de sterren zijn en wordt informatie verkregen over hun omloopbanen. In combinatie met zorgvuldige metingen van de totale helderheid en de kleuren van de sterren [5] levert dat een verbluffend nauwkeurige afstand op.
Deze methode is al eerder toegepast, maar alleen op hete sterren. In dat geval moeten echter aanvullende aannamen worden gedaan, en de afstanden die dat oplevert zijn niet zo nauwkeurig als we graag zouden willen. Nu is voor het eerst gebruik gemaakt van acht extreem zeldzame bedekkingsveranderlijken bestaande uit twee koele, rode reuzensterren [6]. Deze sterren zijn heel zorgvuldig bestudeerd en leveren veel betere afstandswaarden op – nauwkeurig tot op ongeveer 2%.
‘ESO voorzag ons van een perfect stel telescopen en instrumenten voor de waarnemingen van dit project: HARPS voor extreem nauwkeurige radiale snelheidsmetingen van relatief zwakke sterren, en SOFI voor nauwkeurige metingen van de helderheden van de sterren in het infrarood,’ aldus Grzegorz Pietrzyński (Universidad de Concepción, Chili, en de sterrenwacht van de Universiteit van Warschau, Polen), hoofdauteur van het nieuwe artikel in Nature.
‘We proberen onze methode nog verder te verbeteren en hopen de afstand tot de GMW binnen enkele jaren tot op één procent nauwkeurig te kunnen bepalen. Dit heeft niet alleen verstrekkende gevolgen voor de kosmologie, maar ook voor veel andere terreinen van de astrofysica,’ besluit Dariusz Graczyk, tweede auteur van het nieuwe Nature-artikel.
Noten
[1] Standaardkaarsen zijn objecten van bekende helderheid. Door waar te nemen hoe helder zo’n object lijkt, kunnen astronomen zijn afstand bepalen – verder weg gelegen objecten lijken zwakker. Voorbeelden van zulke standaardkaarsen zijn cepheïden [2] en supernovae van type Ia. De grootste uitdaging bij het ijken van de afstandsschaal is het vinden van standaardkaarsen die zo dichtbij staan dat hun afstanden op een andere manier kunnen worden bepaald.
[2] Cepheïden zijn heldere, instabiele sterren die pulseren en daardoor van helderheid veranderen. Ze vertonen een duidelijk verband tussen de snelheid waarmee ze pulseren en de hoeveelheid licht die zij uitstralen. Sneller pulserende cepheïden zijn zwakker dan trager pulserende cepheïden. Deze periode-lichtkrachtrelatie maakt het mogelijk om hen als standaardkaarsen te gebruiken bij de metingen van de afstanden van nabije sterrenstelsels.
[3] Dit onderzoek maakt deel uit van het langlopende Araucaria Project dat tot doel heeft om de afstanden van nabije sterrenstelsels beter te meten.
[4] Hoe de helderheid precies verandert, is afhankelijk van de relatieve afmetingen van de sterren, hun temperaturen en kleuren, en hun baaneigenschappen.
[5] De kleuren worden gemeten door de helderheden van de sterren op verschillende nabij-infrarode golflengten te meten.
[6] Deze sterren zijn gevonden door de 35 miljoen sterren van de GMW na te lopen die onderzocht zijn bij het OGLE-project.
Meer informatie
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
