Ważenie astronomicznych wzorców odległości

Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez prof. Grzegorza Pietrzyńskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW ogłosił na łamach prestiżowego tygodnika naukowego Nature wyniki kilkuletnich badań unikalnego systemu gwiazdowego znajdującego się w pobliskiej galaktyce – Wielkim Obłoku Magellana. Układ ten składa się z dwóch wielkich, związanych siłami grawitacyjnymi gwiazd nazywanych przez astronomów olbrzymami, krążących po orbitach wokół środka masy układu z okresem 310 dni.

Tego typu układów jest we Wszechświecie sporo i odkrycie kolejnego nie byłoby niczym szczególnym. Jednak analizowany system jest ze wszech miar unikalny. Jednym z jego składników jest bowiem gwiazda zmienna zaliczana do klasy gwiazd pulsujących nazywanych przez astronomów klasycznymi cefeidami.

Cefeidy, to grupa gwiazd, których nazwa pochodzi od jednej z pierwszych odkrytych gwiazd tego typu znajdującej się w gwiazdozbiorze Cefeusza. W pewnym etapie życia – gdy gwiazda osiąga rozmiary kilkadziesiąt razy większe niż Słońce – wytwarzają się w nich warunki sprzyjające powstawaniu pulsacji zewnętrznych warstw. Okresowym, kilkuprocentowym zmianom ulega promień gwiazdy, temperatura powierzchni, a w rezultacie obserwator rejestruje charakterystyczne, okresowe zmiany jasności gwiazdy. Mimo że obiekty tego typu znane są już od setek lat, nadal kryją w sobie wiele nierozstrzygniętych zagadek.

W 1968 roku zwrócono uwagę na to, że masy cefeid, które są podstawowym parametrem determinującym ich własności i przyszłe losy, przewidywane przez teorie ewolucji i pulsacji gwiazd różnią się o około 20%. Niezgodność ta spędzała astronomom sen z oczu, gdyż jasno wskazywała na nieprawidłowości w naszym rozumieniu fizyki gwiazd. Rozwiązaniem problemu mógłby być niezależny, bezpośredni pomiar mas cefeid. Niestety, wszystkie dotychczasowe próby pomiaru mas cefeid obarczone były bardzo dużymi błędami sięgającymi 30%. Nie pozwoliły więc rozstrzygnąć, która teoria przewiduje poprawną masę tych obiektów. Problem związany z masami cefeid pozostawał nierozwiązany przez ponad 40 lat.

Cefeidy są obecnie jednymi z najważniejszych obiektów astronomicznych – mówi prof. Pietrzyński. Od ponad wieku ich obserwacje dostarczają bezcennych informacji o teorii ewolucji gwiazd, ale przede wszystkim, cefeidy służą do pomiaru odległości we Wszechświecie, jako tzw. wzorce odległości (świece standardowe w nomenklaturze astronomicznej). Dlatego pełne zrozumienie fizyki tych gwiazd jest niezmiernie istotne dla wielu dziedzin astronomii, a zwłaszcza dla ustalenia precyzyjnej skali odległości we Wszechświecie – dodaje prof. Pietrzyński.

Przełom w badaniach związanych z wyznaczaniem mas cefeid nastąpił w 2008 roku, gdy kierowany przez prof. Andrzeja Udalskiego z Obserwatorium Astronomicznego UW, zespół projektu OGLE odkrył bardzo szczególny układ dwóch gwiazd.

W układzie tym, katalogowo nazwanym OGLE-LMC-CEP-0227, cefeida wraz z drugą gwiazdą okrążają się nawzajem. Ponieważ kąt, pod jakim obserwujemy ten układ jest dostatecznie duży – obserwujemy również cykliczne zmiany jasności układu spowodowane zakrywaniem cefeidy przez jej towarzysza i na odwrót – czyli zaćmienia – objaśnia dr hab. Igor Soszyński z Obserwatorium Astronomicznego UW, odkrywca obiektu. To pierwszy znany system zaćmieniowy zawierający klasyczną cefeidę – dodaje.

W przypadku układów zaćmieniowych gwiazd w oparciu o zaobserwowane zmiany jasności oraz pomiary prędkości gwiazd na orbicie, stosując bardzo proste prawa fizyki, można z doskonałą precyzją, ograniczoną jedynie dokładnością obserwacji, wyznaczać podstawowe parametry gwiazd, w tym ich masę.

Precyzyjne pomiary zmian jasności odkrytego obiektu zostały zebrane przez projekt OGLE w ciągu kilkunastoletniego monitorowania dziesiątków milionów gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana – mówi prof. Udalski. Do pełni szczęścia brakowało nam tylko pomiarów prędkości składników, które, by uzyskać maksymalną dokładność, musiały być wykonane przy użyciu największych teleskopów.

Tę część projektu i ostateczną analizę układu zrealizowano w ramach międzynarodowego projektu Araucaria, którego jednym z liderów jest prof. Pietrzyński. Do wykonania szeregu bardzo dokładnych pomiarów prędkości obydwu składników użyto 6.5 m teleskopu Magellana w obserwatorium Las Campanas w Chile oraz 3.6 m teleskopu ESO w La Silla w Chile wyposażonych w najdokładniejsze na świecie spektrografy.

Wyznaczona masa cefeidy w systemie OGLE-LMC-CEP-0227 okazała się 4.17 razy większa od masy Słońca, a osiągnięta precyzja pomiaru jest rzędu jednego procenta – mówi prof. Pietrzyński. To dokładność mniej więcej taka, z jaką kontrolujemy swoją wagę na wadze łazienkowej, a pamiętać trzeba, że „ważenia” gwiazdy dokonujemy z odległości 160 tysięcy lat świetlnych.

Porównanie tego tak precyzyjnego wyniku pomiaru masy z rozważaniami teoretycznymi pozwala rozwiązać wieloletni problem związany z masami cefeid. Teraz już wiemy, że masy cefeid przewidywane przez teorię ewolucji gwiazd są o 20% zbyt duże – wyjaśnia prof. Pietrzyński. Natomiast teoria pulsacji gwiazd przewiduje je dużo dokładniej – dodaje.

Wyznaczenie masy cefeidy to dopiero pierwszy krok w badaniach systemu OGLE-LMC-CEP-0227. Dalsze dodatkowe obserwacje powinny przynieść szereg ciekawych wyników dotyczących budowy i fizyki cefeid, ale przede wszystkim pozwolić dokładnie skalibrować zależność okres-jasność cefeid, będącą podstawą pomiaru odległości we Wszechświecie.

Precyzyjne ważenie i wyznaczanie innych parametrów tych niezwykle ważnych dla współczesnej astrofizyki gwiazd będzie kontynuowane przez polskich astronomów w najbliższych latach. W opracowywanym przez zespół projektu OGLE największym na świecie katalogu nowoodkrytych gwiazd zmieniających jasność jest wiele kandydatek do dalszych dokładnych badań.

Cały Katalog będzie liczył w sumie ponad milion nowych obiektów zmiennych. To o ponad rząd wielkości więcej niż dotychczas znano. Na przykład w Obłokach Magellana odkryliśmy już ponad sto tysięcy różnego typu gwiazd pulsujących, w tym kilka nieznanych dotąd cefeid w układach zaćmieniowych podobnych do OGLE-LMC-CEP-0227 – mówi twórca Katalogu Gwiazd Zmiennych dr hab. Igor Soszyński. Pierwsze wykonane już pomiary prędkości wskazują, że będą to kolejne świetne obiekty do precyzyjnego ich ważenia i wyznaczania innych parametrów fizycznych – dodaje prof. Pietrzyński.

Projekt OGLE to jeden z największych przeglądów nieba na świecie prowadzony w Obserwatorium Las Campanas w Chile od blisko dwudziestu lat przez polskich astronomów z Obserwatorium Astronomicznego UW. Projekt ma na swym koncie regularne, głośne w skali światowej odkrycia w wielu najważniejszych dziedzinach współczesnej astrofizyki jak poszukiwanie planet pozasłonecznych, mikrosoczewkowanie grawitacyjne, budowa Galaktyki, astronomia gwiazdowa czy ostatnio poszukiwanie planet karłowatych w Układzie Słonecznym. M.in. kształt zależności okres-jasność cefeid, służącej do wyznaczania odległości we Wszechświecie, wyznaczony na podstawie wyników projektu OGLE jest podstawą kosmicznej skali odległości.

Ogromnie cieszę się, że dołożyliśmy kolejną cegiełkę do gmachu naszej wiedzy o Wszechświecie wyjaśniając problem mas Cefeid – komentuje ostatnie odkrycie szef zespołu OGLE, prof. Andrzej Udalski.

Projekt Araucaria prowadzony we współpracy z astronomami z Chile, USA i Włoch ma na celu ustalenie precyzyjnej skali odległości we Wszechświecie. W ostatnich latach zasłynął dokładnymi wyznaczeniami odległości do pobliskich galaktyk, w tym wzorca odległości we Wszechświecie – Wielkiego Obłoku Magellana. Lider zespołu – prof. Grzegorz Pietrzyński – wyróżniony został ostatnio prestiżowym grantem naukowym w programie TEAM Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej przeznaczonym na dalszy rozwój badań i zespołu badawczego.

W zespole analizującym układ OGLE-LMC-CEP-0227 znalazło się jeszcze dwóch astronomów z Polski: dr Dariusz Graczyk i dr Bogumił Pilecki pracujący obecnie w zespole projektu Araucaria w Uniwersytecie w Concepcion w Chile. Praca opisująca wyniki badań układu opublikowana została w tygodniku naukowym Nature: G. Pietrzyński, I.B. Thompson, W. Gieren, D. Graczyk, G. Bono, A. Udalski, I. Soszyński, D. Minitti, B. Pilecki 2010, „The dynamical mass of a classical Cepheid variable star in an eclipsing binary system”, Nature, 468, 542. Praca o odkryciu układu OGLE-LMC-CEP-0227 opublikowana została w kwartalniku Acta Astronomica:

I. Soszyński, R. Poleski, A. Udalski, M.K. Szymański, M. Kubiak, G. Pietrzyński, Ł. Wyrzykowski, O. Szewczyk and K. Ulaczyk 2008, „The Optical Gravitational Lensing Experiment. The OGLE-III Catalog of Variable Stars. I. Classical Cepheids in the Large Magellanic Cloud” 2008, Acta Astronomica, 58, 163.

Projekt OGLE jest współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Projekt Araucaria jest współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Fundację na Rzecz Nauki Polskiej.