Vanskligheten i att bestämma avståndet till en stjärna.

Notera att ”bestämma avståndet” i detta fall betyder ”ta reda på hur långt det är”. Språk kan ta olika skepnader i olika sammanhang. Oberoende av språkdräkt saknar vi mandat att bestämma över annat än ytterst lokala skeenden i det universum vi lever i. Gott så. 

Ute i mörkt landskap kan det vara svårt att veta om det ljus man ser härstammar från strålkastarna på en bil långt bort eller från lampan på ett cykelstyre rätt nära. Mängden fotoner som träffar vår näthinna kan gott vara densamma, och två ljuskällor är inte lätta att särskilja om avståndet är stort. Att köra omkring med en bil vars ljus på den ena sidan är helt utslaget kan alltså utgöra en trafikfara.

Att mäta avstånd till stjärnor bara genom att mäta hur mycket av deras ljus vi kan uppmäta på Jorden fungerar ännu sämre än att bedömma avstånd i trafiksituationerna ovan. Också här kan en ljusstark stjärna långt borta sända oss lika mycket ljus som en betydligt mindre ljusstark stjärna i vår närhet.

Månen kommer in mellan teleskop och stjärna. Bild: H.Raab, Wikimedia commons

En stor stjärna med moderat utstrålning kan också ge samma intryck, både för blotta ögat och en blick genem ett teleskop, som en liten men intensivt strålande stjärna. Ifall en stjärna inte är särdeles långt borta och befinner sig i rätt riktning kan man mäta hur snabbt ljuset från stjärnan avtar när Månen glider in mellan teleskopet och stjärnan och på så sätt bedömma stjärnans storlek. Att Månen saknar atmosfär och vegetation gör dess kontur tillräckligt skarp för att användas som instrument i detta syfte.

Så – om vi inte kan mäta avstånd till stjärnorna genom att mäta den mängd ljus vi mottar från dem och inte heller kan förlita oss på hur stora de ser ut att vara – hur gör vi då? Det finns verktyg kvar i lådan.

Schema över verktyg för avståndsbestämning i rymden. Originalbild: ESO Supernova.

Stellär parallax

Eftersom de stjärnor som ligger närmast Solen är över fyra ljusår bort är de två första pinnarna i avståndsmätningsstegen oanvändbara. Stellär parallax bygger den perspektivförskjutning som uppstår när vi ser ut mot samma stjärna vid två tillfällen, åtskiljda i tid med ett halvt år. Under det halva året har vår utsiktsplats förflyttats med diametern i Jordens omloppsbana kring Solen. Detta verktyg fungerar på avstånd upp emot 1500 ljusår. 

Om skillnaden i vinkel är en bågsekund, en sextiondedel av en grad, sett från Jorden och det teoretiska perspektivet från Solen, definieras avståndet mellan Solen och föremålet i vinkelns spets 1 pc. Det motsvarar 3,26 ljusår. M.a.o. finns ingen stjärna så nära oss som en parsec. Följaktligen är jobbar astronomerna med väldigt små vinklar. Detta ger också en hint om att avståndet mellan Solen och Jorden inte är särdeles långt i ett kosmiskt perspektiv.

Standardljus

För att bedömma avstånd längre bort än 1500 ljusår, eller 460 parsec, får vi ty oss till olika standardljus. Det är ljuskällor vars utstrålning vi känner till. Genom att jämföra det ljus vi vet sänds ut från källan med den mängd ljus som når vår plats i galaxen kan vi räkna ut avståndet till ljuskällan. Ljuset avtar med kvadraten på avståndet om inga hinnder finns i vägen. 

Oberoende av om ljuset från en ljuskälla sprider sig sfäriskt åt alla håll, som ljuset från en stjärna, eller mer riktat, som från en strålkastare, avtar det med kvadraten på avståndet. Jupiters måne Europa rör sig 5 AU från Solen, på fem gånger avståndet mellan Solen och Jorden. Det medför att varje kvadratmeter på Jupiter mottar 1/25 av den solenergi som en enda kvadratmeter på Månen. (Månen är ett enklare exempel än Jorden eftersom den saknar atmosfär, samma resonemang gäller månen Europa)

RR-Lyraestjärnor

Ett sådant standardljus är RR Lyrae-stjärnor. Den stjärna som fått ge namnet åt stjärntypen med den varierande ljusstyrkan finns i stjärnbilden Lyran. Därav namnet. 

Williamina Fleming upptäckte RR Lyrae 1901 i det att hon, utgående från bilder, arbetade med att analysera och klassificera stjärnor och nebulosor. Det är ofta där man gör de stora upptäckterna. Så också denna gång.

Förhållandet mellan perioden för stjärnas, av RR-Lyrae-typ, varierande ljus och stjärnans ljusstyrka följer alltid samma mönster om man iakttar stjärnan i infrarött. I detta fall i en våglängd på 2200 nanometer. Detta visade sig gälla allmänt för en typ av stjärnor, den typ som fick benämningen RR-Lyraestjärnor. 

I och med det hade astronomerna ett nytt verktyg att ta till.

Poängen är att man genom att studera perioden för stjärnans pulserande ljus kan beräkna stjärnans absoluta magnitud, stjärnans ljusstyrka. Genom att jämföra den med stjärnans visuella magnitud, den mängd ljus som når oss, kan vi beräkna avståndet till stjärnan. Vet man avståndet till en stjärna i en region kan man också uppskatta avståndet till stjärnor intill.

Den Europeiska rymdorganisationen ESA’s uppdrag GAIA spädde på antalet kända RR-Lysraestjärnor med drygt 50000.

Cepheider

På längde avstånd glider Cepheiderna i på scenen som bättre lämpade standardljus. De är jättestjärnor eller superjättestjärnor (Det var ju det där med astronomer och fantasifulla namn). En person som, tillsammans med Williamina Fleming, utvecklade stjärnkategoriseringsverktyget Pickering-Fleming-systemet, är Edward Charles Pickering. En person som jobbade med dem var Henrietta Swan Leavitt, som sedan skulle komma med de beräkningar som övertygade Edwin Hubble om att det finns stjärnor så långt bort att de omöjligen kan tillhöra den samling stjärnor som utgör vår hemgalax, Vintergatan. Mer om Swan Leavitt hittar du mitt i detta avsnitt av Kvanthopp.

De cepheider Swan Leavitt studerade då finns i vår granngalax, Andromeda. Helt tydligt kan de vara användbara också på avstånd större än de 100000 ljusår vilken anges som gräns i ESO Supernovas klassificering av ”linjaler”. Å andra sidan – Vintergatan har en diameter kring 100000 ljusår. Sett från norra halvklotet är nästa anhalt just Andromedagalaxen, 2½ miljoner ljusår bort.

Noggranna damer hittar vi oftare bakom astronomiska upptäckter än historieböckerna hittills berättat. Vi kommer tillbaka till Fleming inom kort.

1a-supernovor

Ett standardljus med ännu större ljusstyrka finner vi i 1a-supernovor. En sådan antog man till helt nyligen bara kunde uppstå när en dubbelstjärna består av en vit dvärg och en röd jätte. En vit dvärg är det som är kvar av en stjärna, liknande Solen, efter att energin från den sista fusionerade atomkärnorna klingat ut. Kvar är en stjärna med mycket hög densitet, kring en miljard kilogram per kubikmeter. Det närmar sig en himlakropp med Solens massa i Jordens volym.

Den massiva vita dvärgen börjar dra till sig materia från sin ”partner”. Stor massa innebär också stor gravitation. När den vita dvärgen uppnått den kritiska massan motsvarande 1,4 gånger Solens massa startar fusionsreaktioner på nytt eftersom det ökade trycket får även kolet att fusioneras. I det ögonblicket startar en vilt skenande kedjereaktion som sänder en energi på 1-2×1044 Joule ut i rymden. Det är den bestämda energimängden som gör att kan använda fenomenet som standardljus.

Animering av en 1a-supernova. Bild: NASA/JPL-Caltech

Utgående från det vi vet nu kan 1a-supernovor uppstå även i andra former av dubbelstjärnor. Den ena stjärnan måste vara en vit dvärg, men den andra stjärnan måste inte nödvändigtvis vara en röd jätte. Det kan också vara andra typer av stjärnor, till och med en annan vit dvärg. Här finns ännu en hel hög frågetecken, men det är ju det som gör det intressant.

Supernova i M82, Cigarrgalaxen, fotograferad 27.01.20014. Supernovan gavs beteckningen SN2014J och var av typ 1a, vilka används som ”standarsljus” för att bland annat kunna mäta avstånd i rymden. Supernovan är den ljusaste fläcken, som syns till höger i galaxen. Bild: Jonas Förste

Ljusstyrkan från en 1a-supernova når en absolut magnitud på -19. Det är en ljusstyrka som överglänser Solens med en faktor på närmare fem miljarder. I bilden ovan syns ljuset från SN2014J dominera i ljusflödet från trettio miljarder stjärnor i galaxen.

Kosmologisk expansion

Andromedagalaxen är på väg mot oss, men resten av galaxerna är på väg bort.

Hur kan vi veta det?

På samma sätt som ljudet förändras när en bil kör förbi förändras också ljuset beroende på om ljuskällan närmar sig eller avlägsnar sig. När bilen närmar sig hör vi tonen högre och när den avlägsnar sig hör vi den lägre än den är vid källan.

När en stjärna är på väg mot oss uppfattar vi ljuset något blåare än det ljus som de facto lämna stjärnan. När den avlägsnar sig uppfattar vi ljuset rödare.

Detta har man kunnat iaktta när man studerat dubbelstjärnor, stjärnor som roterar kring varandra. Under 1900-talets första decennier observerade flera astronomer att ljuset från avlägsna galaxer var betydligt rödare än det borde vara. Det tyder på att de är på väg bort från oss. Ju rödare deras ljus är, desto mer expanderande rymd finns mellan oss och de galaxer vi iakttar.

Bilde 3: Rødforskyvning av spektrallinjer i det optiske spekteret av objektet BAS11 (høyre) når sammenlignet med solspekteret (venstre). Kilde: Georg Wiora via Wikimedia Commons (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Redshift.png).

Mer om det finns i en text av Alexander Biebricher: Matematikk og menneskets fantasi 4/4


Jan är lärare i matematik, fysik och vetenskapliga tillvalsämnen på Sursik skola i Pedersöre, Finland, ESERO Finland education officer samt resursperson på skolresurs.fi. Inom rymdfysiken och astronomin stöter man ofta på frågan ”Varför?”. När fysiker frågar så menar de vanligtvis ”Hur?” och den frågan är god att peta i. Att dryfta stora frågor ger nyfikenheten näring, vilket i sin tur är en av nyckelingredienserna i många framgångsberättelser.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com-logga

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut /  Ändra )

Google-foto

Du kommenterar med ditt Google-konto. Logga ut /  Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut /  Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut /  Ändra )

Ansluter till %s