Polscy astronomowie zmierzyli odległość Ziemi od sąsiedniej galaktyki z niedostępną wcześniej dokładnością. Jak piszą w najnowszym numerze czasopisma "Nature", Wielki Obłok Magellana jest oddalony od nas o 163 tysiące lat świetlnych. "Tak dokładne pomiary były możliwe dzięki zastosowaniu zupełnie nowej metody i wieloletnim, precyzyjnym obserwacjom kilku szczególnych układów gwiazd podwójnych, znajdujących się w tej galaktyce" - mówi RMF FM jeden z autorów pracy, profesor Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego. Tak dokładne pomiary pozwolą między innymi lepiej ocenić tempo rozszerzania się Wszechświata i zrozumieć naturę procesów, które za tym stoją.
Grzegorz Jasiński: Dlaczego zbadanie odległości od sąsiadującej z nami galaktyki, Wielkiego Obłoku Magellana, ma tak duże znaczenie?
Prof. Andrzej Udalski: Odległość do Wielkiego Obłoku Magellana jest uznawana przez astronomów od wielu, wielu lat jako wzorzec do pomiarów odległości pozagalaktycznych. Innymi słowy, to taki wzorzec jakby metra, który musimy dokładnie wyznaczyć, by wiedzieć, jakie są bezwzględne odległości we Wszechświecie. Umiemy mierzyć dość precyzyjnie odległości w dalszych rejonach Wszechświata, przez porównanie różnego rodzaju obiektów, tak zwanych świec standardowych, występujących w różnych odległych galaktykach, z podobnymi obiektami w Wielkim Obłoku Magellana. Stąd mamy względne odległości. Podstawową informacją, niezbędną do ustalenia odległości bezwzględnych, jest właśnie dystans do Wielkiego Obłoku Magellana. Jeśli ten wzorzec jest wyznaczony niedokładnie, wszystkie inne odległości są obarczone takim właśnie błędem.
Dlaczego tak trudno było go zmierzyć?
Problem jest szerszy, dotyczy ogólnie pomiarów odległości we Wszechświecie. Niestety Wszechświat jest ogromny i nawet najbliższe obiekty są bardzo, bardzo daleko od Ziemi i Układu Słonecznego. Wyznaczanie odległości wymaga kilku kroków. Używa się do tego właśnie tych obiektów zwanych świecami standardowymi. Najczęściej są to pewnego typu gwiazdy zmienne, które pulsują. Na podstawie własności fizycznych tych pulsacji można wyznaczać, w jakiej są odległości. Tego typu gwiazdy są jednak na tyle daleko od Układu Słonecznego, że nie można zmierzyć odległości metodami ściśle geometrycznymi. Pozostaje więc niepewność co do odległości wyznaczanych metodami pulsacyjnymi. Co więcej, najczęściej przyjmuje się przy tym pewne założenia teoretyczne, które często okazują się po jakimś czasie nie do końca prawdziwe. To też przyczynia się do błędów. Dlatego od wielu lat mimo, że astronomowie starali się wyznaczać odległość do Wielkiego Obłoku Magellana, robili to nie do końca precyzyjnie. Najlepsze pomiary miały do tej pory dokładność rzędu 10 procent. Naszym zespołom udało się dokonać pomiaru przy pomocy całkowicie nowej doświadczalnej metody z rewelacyjną dokładnością, rzędu 2 procent. To jest rewolucja.
Jak więc udało się pokonać te trudności?
Myśmy użyli do wyznaczania tej odległości zupełnie nowych obiektów, też tak zwanych świec standardowych, ale innego rodzaju. Obiektów, które są prostymi układami dwóch gwiazd, które obiegając się zakrywają się wzajemnie, powodują tak zwane zaćmienia. O tym, że można do tego celu używać takie układy gwiazd astronomowie wiedzieli od dość dawna. Problemem było to, że nie wszystkie układy gwiazd zaćmieniowych się do tego nadawały. Idealnie pasują obiekty chłodne, krążące wokół siebie na bardzo rozległych orbitach, żeby nie oddziaływały ze sobą, były tak zwanymi układami rozdzielonymi. Niestety takich właśnie układów jest bardzo mało i trudno je znaleźć. Dodatkowo trzeba je obserwować przez długi czas. Jeśli okres obiegu takich gwiazd sięga roku lub dłużej, trzeba na ich badania poświęcić co najmniej kilka lat. Na szczęście nasz projekt OGLE, prowadzony w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego obserwuje Wielki Obłok Magellana i Mały Obłok Magellana od kilkunastu już lat, z bardzo dużą precyzją pomiarów jasności. W związku z tym możemy próbować takie długookresowe obiekty zaćmieniowe znaleźć. Rzeczywiście udało nam się to, kilkanaście takich obiektów znaleźliśmy i prostą geometryczną metodą wyznaczyliśmy odległość. Porównaliśmy rozmiary liniowe gwiazd z ich rozmiarami kątowymi. To tak jakby wziąć na przykład monetę 10-groszową o średnicy powiedzmy centymetra i obserwować jaki jest jej rozmiar kątowy po odsunięciu na pewną odległość od nas. Podobnie się to robi w przypadku gwiazd zaćmieniowych. Tyle tylko, że trzeba po pierwsze je znaleźć, dokładnie zaobserwować ich własności, wyznaczyć rozmiar liniowy, rozmiar kątowy, wreszcie odległość. To po kilku latach obserwacji udało nam się dla ośmiu obiektów. Stąd ta odległość od Wielkiego Obłoku Magellana z tą niesłychaną dokładnością, rzędu 2 procent.
Wyznaczenie precyzyjnej wartości tego wzorca ma istotne znaczenie dla obliczeń tempa rozszerzania się Wszechświata. Jak szybko możemy się spodziewać przeliczenia tych wielkości, liczonych do tej pory na podstawie dotychczasowych wzorców?
Myślę, że korekta stałej Hubble'a nastąpi szybko, gdy nasza praca się ukaże. Gdy astronomowie ją przejrzą i rzeczywiście stwierdzą, że tak precyzyjne wyznaczenie jest wiarygodne, to korekty można wprowadzić w ciągu kilku sekund. Te korekty zresztą nie będą strasznie duże, bowiem wyznaczona przez nas wartość dość dobrze zgadza się z wcześniejszymni opracowaniami. To nie jest taka rewolucja, że nagle Wszechświat zrobił sie dużo większy, natomiast wiemy teraz, że mamy precyzyjniej wyznaczoną stałą Hubble'a, czyli prędkość rozszerzania się Wszechświata. Mamy wreszcie empiryczne potwierdzenie, że ta stała może być wyznaczona całkiem dobrze.
Czy są szanse na jeszcze lepsze doprecyzowanie tej wielkości, czy też państwa zainteresowania pójdą w nieco innym kierunku?
Zainteresowania pójdą w różnych kierunkach, bowiem najważniejszym wnioskiem z tej pracy jest fakt, że gwiazdy zaćmieniowe są świetnymi wskaźnikami odległości, także można z ich pomocą niezwykle precyzyjnie mierzyć odległość do różnych obiektów. Oczywiście możemy próbować zmierzyć odległość od Wielkiego Obłoku Magellana jeszcze dokładniej. 2 procent to jest bardzo dobrze w porównaniu z wcześniejszymi pomiarami, ale metoda ma potencjał większy. Przy dokładniejszych kalibracjach można próbować ten błąd zmniejszyć nawet do jednego procenta, co już będzie pewnie osiągnięciem na długie lata nie do pobicia. Badania potoczą się też w innych kierunkach. Mając więcej takich obiektów zaćmieniowych, będzie można wyznaczać odległość nie tylko do Wielkiego Obłoku Magellana jako całości, ale też jego poszczególnych fragmentów. W ten sposób będzie można poznawać jego przestrzenną strukturę, podobnie jak strukturę innych galaktyk, w których odkryliśmy też wiele takich dobrych układów zaćmieniowych. W przyszłości będziemy w stanie w ten sposób badać także budowę naszej własnej galaktyki.
A jeśli chodzi o Drogę Mleczną, to jaki najbliższy obiekt tu macie państwo na oku i jak jego badania mogą pomóc poprawić znajomość naszej galaktyki?
Głównie prowadzimy obserwacje centrum naszej galaktyki, które znajduje się w gwiazdozbiorze Strzelca. Spoglądając w to centrum patrzymy przez obszary, które są pomiędzy nami. To są na ogół ramiona spiralne naszej galaktyki. Na podstawie badań gwiazd zaćmieniowych możemy sprawdzać, jakie jest zagęszczenie gwiazd w odpowiednich odległościach od Słońca i jaka jest odległość do tego centralnego obszaru. To są odległości rzędu 25 tysięcy lat światła, więc to nie jest najbliższe otoczenie Słońca, ale to są rejony bardzo ciekawe, bo od wielu procesów, które tam zachodzą zależy przyszłość naszej galaktyki.
To jeszcze zapytam o najdalszy obiekt, który państwo badacie.
Mamy bardzo wielki zakres badań. W 2011 roku ogłosiliśmy odkrycie obiektów w naszym Układzie Słonecznym, największych odkrytych tu w ostatnich latach, które znajdują się mniej więcej w odległości 40 razy większej, niż odległość Ziemia - Słońce. To najbliższe obiekty, które odkrywaliśmy. Najdalsze obiekty to z kolei bardzo odległe kwazary, od których światło biegło do nas 12 miliardów lat. To zupełnie peryferia Wszechświata. Zakres badań mamy ogromny.
