Na mapach Ziemi nie ma już białych plam, we Wszechświecie jest ich jeszcze wiele. Na dodatek, by sporządzić mapę, potrzebna jest skala. Aby ją mieć, trzeba precyzyjnie zmierzyć odległości od punktów, które zostaną na niej umieszczone. Z tym jest kłopot. Z najbliższej galaktyki – Wielkiego Obłoku Magellana – światło dociera do nas po 163 tysiącach lat.

Profesor Grzegorz Pietrzyński z Centrum Astronomicznego im. M. Kopernika PAN, autor 340 prac naukowych opublikowanych w najlepszych pismach astronomicznych, a także w „Nature” i „Science”, cytowanych około 13 tysięcy razy, kierownik wielu projektów badawczych międzynarodowych i polskich, otrzymał prestiżowy grant ERC przyznany na realizację projektu „A sub-percent distance scale from binaries and Cepheids”, który ma za zadanie dokonanie precyzyjnych pomiarów odległości we Wszechświecie.

– Sądzę, że największe wrażenie na recenzentach zrobiło to, że nasz projekt jest ważny dla wielu różnych dziedzin astrofizyki. Poza tym chyba także przekonała ich moja determinacja, to, że przez ostatnie blisko 20 lat zajmowałem się wraz z moim zespołem poszukiwaniem gwiazd, które stałyby się najlepszymi wyznacznikami odległości oraz weryfikacją metod pomiarowych, aby znaleźć najlepszą do tego celu – mówi prof. Pietrzyński.

600 z 35 milionów

By obliczyć odległość, astronomowie posługują się tzw. stałą Hubble’a.

– Wszystkie galaktyki się od nas oddalają. Im dalej są, tym szybciej się oddalają, o czym mówi prawo Hubble’a. Interpretujemy to jako efekt wielkiego wybuchu – tłumaczy prof. Pietrzyński. – Stała Hubble’a opisuje natomiast jak szybko ten proces zachodzi. Jest to współczynnik proporcjonalności pomiędzy odległością do danego obiektu a jego prędkością ucieczki.

Do tej pory stałą tę wyznaczano z dokładnością do 5 procent. I nie podjęto działań, by ją doprecyzować. Dlaczego?

– Głównym czynnikiem, który limituje dokładność wyznaczenia stałej Hubble’a, była dokładność pomiarów do pobliskich galaktyk. Początkowo była to kwestia instrumentarium, ale w latach 90. ubiegłego wieku powstały duże teleskopy – będziemy z nich korzystać podczas badań – które umożliwiają precyzyjniejsze obserwacje. Druga kwestia to metody pomiarów. Jedna z nich opiera się na cefeidach, inna na gwiazdach podwójnych. Metody te także opracowano blisko sto lat temu, ale brakowało nam wytypowanych, dobrych do badań obiektów – wyjaśnia profesor.

Tak dochodzimy do wspomnianej na początku determinacji. Profesor w ciągu ostatnich 20 lat, wraz z innymi astronomami, w ramach różnych programów badawczych, obserwował 35 milionów gwiazd, by wyłonić z nich 300 układów podwójnych, które najlepiej nadają się do pomiarów. Z kolei w innym międzynarodowym projekcie Araukaria testował rozmaite metody pomiaru odległości do najbliższych galaktyk. Jego zespołowi udało się wyznaczyć odległość do Wielkiego Obłoku Magellana, najbliższej nam galaktyki, z bezprecedensową dokładnością około 2 proc. Tak został przygotowany grunt do badań, które się teraz rozpoczną, a których celem jest wyznaczenie stałej Hubble’a z precyzją jednoprocentową.

Układy odniesienia

Zacznijmy od wspomnianych wcześniej cefeid. To tzw. gwiazdy pulsujące, które okresowo zmieniają swoją objętość, ze względu na zachodzące w nich procesy fizyczne.

– Te obiekty, nawet znajdujące się w odległych zakątkach wszechświata, potrafimy mierzyć i dzięki nim wyznaczać stałą Hubble’a. Istotne jest w ich przypadku to, ile emitują energii. Do pomiarów używa się relacji – także wyznaczonej 100 lat temu – pomiędzy okresem pulsacji a jasnością absolutną. Jeśli zatem ustalimy okres pulsacji, co łatwo zmierzyć, i ustalimy jasność, możemy zmierzyć odległość. W przypadku cefeid możemy również zmierzyć odległości za pomocą drugiej niezależnej metody opartej na efekcie Dopplera: jeśli światło się do nas zbliża, to jest przesunięte w kierunku niebieskim, a gdy się oddala – w kierunku czerwonym. Badając zmiany temperatury oraz promienia w trakcie pulsowania cefeidy, mierzymy odległość oraz możemy także wnioskować o jej rozmiarach fizycznych – wyjaśnia prof. Pietrzyński.

To jedna metoda, druga opiera się na gwiazdach podwójnych. Wytypowano ich 300, czyli razem 600 gwiazd zarówno w naszej galaktyce, jak i w dalszych.

– Układ podwójny to jedyna możliwość dla astronomów, by „ważyć” i „mierzyć” gwiazdy z dokładnością do około 1%. Gwiazda podwójna to taki układ jak Ziemia i Księżyc, choć w naszym przypadku są to planety, natomiast my badamy dwa słońca. Najlepsze do tego są tzw. układy zaćmieniowe, czyli tak usytuowane, że z naszego punktu widzenia jedna w okresie obiegu zaciemnia drugą. Potrafimy mierzyć, jak ten blask się zmienia podczas zakrycia. Kształt zaćmienia, czysto geometryczny efekt, mówi nam o rozmiarach obu gwiazd. Dodatkowo zmożemy za pomocą efektu Dopplera zmierzyć prędkości gwiazd na orbicie. Dzięki tym pomiarom, używając prostych praw fizyki (III prawo Keplera), astronomowie wyznaczają z niebywałą precyzją parametry fizyczne gwiazd. To idealne i unikalne laboratoria do pomiarów gwiazd. Bardzo dokładnych – dodaje profesor.

Idealny jest układ zaćmieniowy zawierający cefeidę. Wtedy można zmierzyć odległość do niego za pomocą obydwu metod. W ramach tego projektu będą badane również takie układy.

Dodajmy, że „produktem ubocznym” projektu będzie pomiar, z dokładnością większą niż 1 proc., parametrów fizycznych 600 gwiazd.

Do „czego” służy odległość

Wprawdzie głównym celem projektu jest pomiar odległości kosmicznych, ale to parametr, dzięki któremu dowiemy się znacznie więcej.

– Znajomość odległości w astronomii nie tylko da nam pojęcie o rozmiarach Wszechświata. Odległość określa również, ile energii emitują badane obiekty oraz jak jest zbudowany i jak ewoluuje Wszechświat. Pomiary kosmicznych odległości są niezbędne, aby poznać historię oraz dalsze losy Wszechświata, a także zrozumieć nasze miejsce i rolę w nim. Do tego oczywiście potrzebna jest dobra mapa, która musi mieć precyzyjną skalę. Mierząc odległości, starając się o największą precyzję przy wyliczaniu stałej Hubble’a, taką właśnie skalę stworzymy – wyjaśnia profesor.

Jasne jest, że z uwagi na odległości nie dokonujemy pomiarów on-line, lecz sięgamy w przeszłość, na dodatek niewyobrażalnie daleką, rzędu od tysięcy do miliardów lat wstecz. Tę odległość w przestrzeni wyznacza czas, w jakim dociera do nas światło z odległych gwiazd.

Czy badania przybliżą nas do rozwiązania zagadki związanej z ciemną materią i ciemną energia, o której wiemy, że… nic nie wiemy?

– Mimo to potrzebujemy obu tych pojęć, by tłumaczyć różne zjawiska astronomiczne. Koncepcja ciemnej materii zrodziła się wówczas, gdy się okazało, że niektóre badane przez nas gwiazdy zachowują się inaczej niż byśmy oczekiwali. Podczas badań ewolucji Wszechświata, a zwłaszcza w obliczu jego coraz szybszego rozszerzania, powstała teoria ciemnej energii jako odpowiedzialnej za to „puchnięcie”. Sięganie w przeszłość jest istotne dla przyszłości. Potrafimy wyznaczyć stałą Hubble’a na etapie bardzo wczesnego formowania się Wszechświata, w tzw. horyzoncie akustycznym. Jeśli teraz porównamy nasze pomiary z precyzyjnymi, obecnie dokonanymi, zobaczymy skalę ewolucji. To będzie nie tylko doskonały test naszego modelu Wszechświata, lecz także całej fizyki – mówi prof. Pietrzyński.

Grant ERC przeznaczony jest na pięć lat. W badaniach, oprócz zespołu prof. Pietrzyńskiego, będą brać udział naukowcy z Instytutów Astronomicznych w Chile i we Francji. 