Czy odległości liczone w miliardach miliardów kilometrów można mierzyć z dokładnością do 2 proc., znaną z codziennej praktyki? Astronomowie mają na to sposoby. O tym, jak dokładnie zbadać tempo rozszerzania się Wszechświata, opowiada w rozmowie z PAP prof. Grzegorz Pietrzyński. Jego zespół z niespotykaną dotąd dokładnością zmierzył odległości do wielu pobliskich galaktyk. To pierwszy, najważniejszy krok w pomiarach Wszechświata.
 a

PUCHNĄCY WSZECHŚWIAT I ZAGADKA CIEMNEJ ENERGII

„Jednym z najważniejszych odkryć w astronomii była zaobserwowana przez Edwina Hubble’a ekspansja Wszechświata. Odkrycie to doprowadziło do odrzucenia modelu statycznego Wszechświata i całkowicie zmieniło nasz światopogląd. Jesteśmy częścią Kosmosu, więc musimy go zrozumieć, żeby lepiej zrozumieć rolę naszej cywilizacji, i odpowiedzieć na odwieczne pytania – czy jesteśmy sami we Wszechświecie, czy możliwe są podróże kosmiczne, czym jest nasza cywilizacja, jaka jest jej rola, jaka będzie nasza przyszłość” – mówi prof. Pietrzyński.

Kolejną rewolucję spowodowało odkrycie, że rozszerzanie Wszechświata nie było cały czas stałe, ale musiało się zmieniać. Bo inaczej nie wytłumaczylibyśmy, dlaczego powstały galaktyki i wszystkie obiekty w przestrzeni kosmicznej. Niedawno odkryto, że tempo ekspansji ostatnio znacznie przyspieszyło. Za to odkrycie w 2011 r. trzech astronomów otrzymało Nagrodę Nobla. Dlaczego Wszechświat przyspieszył? Wyjaśnienia należy szukać w naturze ciemnej energii, stanowiącej aż 3/4 masy Wszechświata. Ale to, czym jest ciemna energia, wciąż pozostaje zagadką.

PULSUJĄCE CEFEIDY I KOSMICZNE LINIJKI

Aby zbadać naturę ciemnej materii i poznać ewolucję Wszechświata trzeba dokładnie znać wartość tzw. parametru Hubble’a. Aby go wyznaczyć, należy wykonać pomiary do bardzo odległych obiektów.

„W klasycznej metodzie mierzymy odległość Ziemi od Słońca, potem w oparciu o nią mierzymy odległość do najbliższych gwiazd. Następnie wybieramy gwiazdy, które mają mniej więcej taką samą jasność, i tworzymy nową linijkę kosmiczną, która pozwala nam sięgnąć do galaktyk. Następnie mierzymy odległości do galaktyk, w galaktykach znów szukamy obiektów, które byłyby jaśniejsze i pozwalałyby nam sięgnąć dalej, i tak stopniowo – krok po kroku – sięgamy do krańców Wszechświata. Wtedy będziemy mogli zmierzyć, jak Wszechświat się rozszerza” – tłumaczy prof. Pietrzyński.

Paradoksalnie odległości do najdalszych galaktyk możemy mierzyć z dużą dokładnością. Doskonale nadają się do tego supernowe. Jednak, aby móc ich użyć do mierzenia Wszechświata, uczeni muszą wiedzieć, jaką energię one emitują. W tym celu należy zmierzyć odległości do kilku supernowych za pomocą innej metody – więc wyznaczają ich jasność. Astronomowie używają w tym celu cefeid, czyli gwiazd pulsujących, które od ponad stu lat są powszechnie używane do pomiaru odległości „na średnich dystansach”.

„Za pomocą cefeid możemy sięgnąć do supernowych, wyznaczyć ich energie i jasność. Żeby to zrobić, musimy z kolei skalibrować cefeidy. Tymczasem właśnie z tego kroku pochodzi największy wkład do błędu w wyznaczeniu tempa ekspansji Wszechświata” – podkreśla profesor. „Celem naszego projektu jest skalibrowanie cefeid z jak największą dokładnością. Chcemy pominąć drobne kroczki, i za pomocą prostych geometrycznych metod od razu przenieść się do pobliskich galaktyk” – tłumaczy.

Zespół profesora tworzy dwie „linijki”, pozwalające na bardzo dokładny pomiar odległości do pobliskich galaktyk, w których znajdują się cefeidy. Mają one pozwolić na wykalibrowanie jasności cefeid, a następnie – na zmierzenie za ich pomocą dokładnych odległości do galaktyk, w których obserwowano supernowe. W wyniku tego w trzech prostych krokach można będzie wyznaczyć wartość parametru Hubble’a, który bezpośrednio pokaże, z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat.

W 2013 r. dzięki „linijce” wykorzystującej gwiazdy podwójne zespół prof. Pietrzyńskiego zmierzył odległość do najbliższej galaktyki, Wielkiego Obłoku Magellana, z rekordową dotychczas dokładnością do 2 proc.

„Druga metoda polega na wykorzystaniu gwiazd pulsujących. W obydwu przypadkach potrafimy zmierzyć zarówno rozmiary liniowe, jak i kątowe badanych obiektów. Następnie, dzieląc jedne przez drugie, otrzymujemy odległości. To najdokładniejsze geometryczne metody, jakie sobie można wyobrazić. W tym podejściu nie potrzebujemy więc wszystkich pośrednich kroków; od razu przechodzimy do najbliższych galaktyk; tam mamy cefeidy, potem supernowe – i sprawa rozwiązana” – mówi uczony.

Obliczenia dokonywane są na podstawie obserwacji prowadzonych w Chile, na Hawajach, Wyspach Kanaryjskich i w Południowej Afryce. Trzon zespołu stanowi ok. polska grupa, utworzona dzięki programowi TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. W projekcie międzynarodowym bierze w sumie udział 17 naukowców – z Polski (ok. 10), z Chile, z Japonii, z Francji, Niemiec i z USA.

Na swoje badania Grzegorz Pietrzyński otrzymał prawie 2,4 mln euro z budżetu ERC Advanced Grant. To czwarty tak prestiżowy grant dla Polaka, a drugi – dla astronoma. Prof. Pietrzyński pracował w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego, jednak projekt finansowany przez ERC będzie realizował w Centrum Astronomicznych Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk, gdzie niedawno rozpoczął pracę.

[PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk (Olszewska)
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl]