Mit einer seltenen Art von riesigen variablen Cepheid-Sternen als kosmische Meilensteine haben Astronomen einen Weg gefunden, Entfernungen zu Objekten zu messen, die dreimal weiter im Weltraum entfernt sind als bisher möglich. Astronomen haben jedoch einen Weg gefunden, Cepheid-Variablen mit „Ultra Long Period“ (ULP) als Leuchtfeuer zu verwenden, um Entfernungen von bis zu 300 Millionen Lichtjahren und darüber hinaus zu messen.
Klassische Cepheiden sind hell, aber jenseits von 100 Millionen Lichtjahren von der Erde geht ihr Signal unter anderen hellen Sternen verloren, sagte Jonathan Bird, Doktorand in Astronomie im Bundesstaat Ohio, der seine Ergebnisse auf der Konferenz der American Astronomical Society am Montag diskutierte.
Aber ULPs sind eine seltene und besonders helle Klasse von Cepheiden, die sehr langsam pulsieren.
Astronomen haben auch lange gedacht, dass sich ULP-Cepheiden nicht so entwickeln wie andere Cepheiden. In dieser Studie fanden Astronomen jedoch die ersten Hinweise darauf, dass sich eine ULP-Cepheid genauso entwickelt wie eine klassische Cepheid.
Es gibt verschiedene Methoden zur Berechnung der Entfernung zu Sternen, und Astronomen müssen häufig Methoden kombinieren, um eine Entfernung indirekt zu messen. Die übliche Analogie ist eine Leiter, bei der jede neue Methode eine höhere Sprosse über der anderen hat. Bei jedem neuen Strompfad der kosmischen Entfernungsleiter addieren sich die Fehler und verringern die Genauigkeit der Gesamtmessung. Daher ist jede einzelne Methode, die die Sprossen der Leiter überspringen kann, ein wertvolles Werkzeug, um das Universum zu erforschen.
Krzysztof Stanek, Professor für Astronomie am Ohio State, wandte 2006 eine direkte Messtechnik an, als er das Licht, das aus einem Doppelsternsystem in der Galaxie M33 austrat, zum ersten Mal verwendete, um die Entfernung zu dieser Galaxie zu messen. M33 ist 3 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
Diese neue Technik unter Verwendung von ULP-Cepheiden ist anders. Es ist eine indirekte Methode, aber diese erste Studie legt nahe, dass die Methode für Galaxien funktioniert, die viel weiter entfernt sind als M33.
„Wir haben festgestellt, dass Cepheiden mit extrem langer Periode ein potenziell leistungsfähiger Entfernungsindikator sind. Wir glauben, dass sie die ersten direkten Sternentfernungsmessungen für Galaxien im Bereich von 50 bis 100 Megaparsec (150 bis 326 Millionen Lichtjahre) und weit darüber hinaus durchführen können “, sagte Stanek.
Da Forscher Cepheiden mit extrem langer Periode im Allgemeinen nicht zur Kenntnis nehmen, gibt es nur wenige davon in der astronomischen Aufzeichnung. Für diese Studie entdeckte der Doktorand von Stanek, Bird und Ohio State, Jose Prieto, 18 ULP-Cepheiden aus der Literatur.
Jedes befand sich in einer nahe gelegenen Galaxie wie der Kleinen Magellanschen Wolke. Die Entfernungen zu diesen nahe gelegenen Galaxien sind bekannt, daher nutzten die Astronomen dieses Wissen, um die Entfernung zu den ULP-Cepheiden zu kalibrieren.
Sie fanden heraus, dass sie ULP-Cepheiden verwenden konnten, um die Entfernung mit einem Fehler von 10 bis 20 Prozent zu bestimmen - eine Rate, die typisch für andere Methoden ist, aus denen die kosmische Entfernungsleiter besteht.
"Wir hoffen, diesen Fehler zu reduzieren, da immer mehr Menschen ULP-Cepheiden in ihren Sternuntersuchungen zur Kenntnis nehmen", sagte Bird. "Was wir bisher gezeigt haben, ist, dass die Methode im Prinzip funktioniert und die Ergebnisse ermutigend sind."
Bird erklärte, warum Astronomen ULP-Cepheiden in der Vergangenheit ignoriert haben.
Kurzperioden-Cepheiden, die alle paar Tage aufhellen und dunkler werden, sind gute Entfernungsmarkierungen im Weltraum, da ihre Periode direkt mit ihrer Helligkeit zusammenhängt - und Astronomen können diese Helligkeitsinformationen verwenden, um die Entfernung zu berechnen. Polaris, der Nordstern, ist eine bekannte und klassische Cepheid.
Aber Astronomen haben immer gedacht, dass ULP-Cepheiden, die sich im Laufe einiger Monate oder länger aufhellen und abschwächen, dieser Beziehung nicht gehorchen. Sie sind größer und heller als die typische Cepheid. Tatsächlich sind sie größer und heller als die meisten Sterne; In dieser Studie waren die 18 ULP-Cepheiden beispielsweise 12 bis 20 Mal so groß wie unsere Sonnenmasse.
Die Helligkeit macht sie zu guten Entfernungsmarkierungen, sagte Stanek. Typische Cepheiden sind in fernen Galaxien schwerer zu erkennen, da sich ihr Licht in andere Sterne einfügt. ULP-Cepheiden sind hell genug, um aufzufallen.
Astronomen haben auch lange vermutet, dass sich ULP-Cepheiden nicht so entwickeln wie andere Cepheiden. In dieser Studie fand das Team des Bundesstaates Ohio jedoch die ersten Hinweise darauf, dass sich eine ULP-Cepheid wie eine klassischere Cepheid entwickelt.
Eine klassische Cepheid wird im Laufe ihres Lebens um ein Vielfaches heißer und kühler. Dazwischen werden die äußeren Schichten des Sterns instabil, was zu Helligkeitsänderungen führt. Es wird angenommen, dass ULP-Cepheiden diese Zeit der Instabilität nur einmal durchlaufen und nur in eine Richtung - von heißer zu kühler.
Als die Astronomen Daten aus verschiedenen Teilen der Literatur für diese Studie zusammenstellten, stellten sie fest, dass sich eine der ULP-Cepheiden - ein Stern in der kleinen Magellanschen Wolke mit dem Namen HV829 - eindeutig in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Vor vierzig Jahren pulsierte die HV829 alle 87,6 Tage. Jetzt pulsiert es alle 84,4 Tage. Zwei weitere in der Literatur gefundene Messungen bestätigen, dass die Periode in den dazwischen liegenden Jahrzehnten stetig geschrumpft ist, was darauf hinweist, dass der Stern selbst schrumpft und heißer wird.
Die Astronomen kamen zu dem Schluss, dass ULP-Cepheiden Astronomen helfen können, nicht nur das Universum zu messen, sondern auch mehr darüber zu erfahren, wie sich sehr massive Sterne entwickeln.
Einige dieser Ergebnisse wurden im April 2009 im Astrophysical Journal veröffentlicht. Seit dieser Veröffentlichung haben die Astronomen des Staates Ohio begonnen, das Large Binocular Telescope in Tucson, Arizona, zu verwenden, um nach weiteren ULP-Cepheiden zu suchen. Stanek sagt, dass sie einige gute Kandidaten in der Galaxie M81 gefunden haben, aber diese Ergebnisse müssen noch bestätigt werden.
Quellen: AAS, Ohio State University
