Kosminen mittatikku meni uusiksi - ja paremmaksi

Tähtien etäisyysmittaus

Tähtien etäisyyksien tunteminen on yksi tähtitieteen keskeisistä asioista. Parhaan keinon mitata tähden etäisyys suoraan tarjoaa parallaksi. Kun tähden sijainti taivaalla määritetään tarkasti puolen vuoden välein – eli Maan ollessa kiertoratansa vastakkaisilla reunoilla – se näyttää liikkuvan kauempana olevien tähtien muodostaman taustan suhteen. Etäisyys saadaan laskettua yksinkertaisen trigonometrian avulla.

Ongelmana on, että parallaksikeinoa voi soveltaa vain suhteellisen läheisiin tähtiin. Tällä hetkellä maksimietäisyys on noin 1 600 valovuotta: sitä kaukaisempien tähtien liike on liian vähäistä mitattavaksi. Parallaksin avulla voidaan määrittää etäisyys ainoastaan miljoonasosalle Linnunradan kaikista tähdistä.

Gaia-satelliitin avulla mittaustarkkuus parantuu huimasti ja sillä päästään jo 30 000 valovuoteen saakka. Joulukuussa 2013 laukaistun satelliitin suururakka kestää noin viisi vuotta ja silloin tunnetaan tarkasti noin miljardin tähden etäisyys. Sekin on kuitenkin vain vaivainen prosentti kotigalaksimme tähdistä.

Vielä kaukaisempien tähtien etäisyys on määritettävä huomattavan epätarkoilla konsteilla, jotka perustuvat tähden lämpötilaa, gravitaatiota ja kemiallista koostumusta koskeviin malleihin. Niiden pohjalta voidaan arvioida todellinen kirkkaus ja havaitun kirkkauden perusteella laskea etäisyys. Tarkkuus ei kuitenkaan ole kuin 30 prosentin luokkaa.

Cambridgen yliopiston tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jonka perustana ovat "tähtikaksoset". Eivät siis kaksoistähdet, vaan kaukana toisistaan sijaitsevat, mutta spektriltään identtiset tähdet. Kuudensadan tutkitun, spektrinsä puolesta tarkasti tunnetun tähden joukosta löytyi kaikkiaan 175 paria. Kussakin tapauksessa toisen tähden etäisyys oli määritetty jo aiemmin parallaksin avulla.

Tähtikaksosten etäisyyserot näkyvät suoraan niiden näennäisissä kirkkauksissa, joten etäisyys voidaan määrittää ilman tarkkuutta heikentäviä oletuksia. Uudella menetelmällä tehdyt mittaukset poikkesivat vain kahdeksan prosenttia parallaksimittausten tuloksista eikä tarkkuus heikentynyt kaukaisempienkaan tähtien kohdalla.

"Idea on todella yksinkertainen – niin yksinkertainen, että on vaikea uskoa, ettei kukaan ole tullut ajatelleeksi sitä aikaisemmin", ihmettelee tutkimusryhmää johtanut Paula Jofré Pfeil. "Mitä kauempana tähti on, sitä himmeämmältä se näyttää, joten mikäli kahdella tähdellä on identtiset spektrit, voimme laskea kirkkauseron avulla niiden etäisyydet."

Yhden tähden tarkassa spektrissä on liki 300 000 datapistettä, joten eri tähtien yksityiskohtainen spektrivertailu olisi hyvin työlästä ja aikaavievää. Siksi tutkijat päätyivät käyttämään vertailussa ainoastaan 400 spektriviivaa, jotka luonnehtivat parhaiten tähtien ominaisuuksia.

Seuraavaksi tutkijoiden on määrä laatia luettelo tähdistä, joiden etäisyys tunnetaan tarkasti, ja etsiä listatuille tähdille kaksosia, joille saadaan uudella keinolla määritettyä aiemmin  tuntematon tai huonosti tunnettu etäisyys.

Seuraavan sukupolven jättiläiskaukoputkilla pystytään mittaamaan miljoonien tähtien spektrit niin tarkasti, että niitä voidaan käyttää tähtikaksosmenetelmän apuna. 

Tutkimus julkaistaan Monthly Notices of the Royal Astronomical Society -tiedelehdessä.

Kuva: Carolina Jofré