De bariton van rode reuzen verfijnt kosmische afstandsmetingen
Een frisse blik op rode reuzensterren biedt belangrijke inzichten in kosmische afstandsmetingen en een manier om de uitdijing van het heelal met de hoogste nauwkeurigheid te bepalen.
In een voortdurend uitdijend heelal is het meten van kosmische afstanden hetzelfde als het zoeken naar een betrouwbare liniaal in een enorm, steeds groter wordend heelal. Eén hulpmiddel dat astrofysici gebruiken is de Hubbleconstante, die meet hoe snel het heelal uitdijt en de leeftijd en waarneembare omvang van het heelal bepaalt.
Er bestaat echter onenigheid over de waarde van de Hubbleconstante, vanwege tegenstrijdige metingen afgeleid van verschillende objecten. Het debat betekent dat ons begrip van de fundamentele fysica van het heelal onvolledig is. Er staat veel op het spel en de sleutel tot het vinden van een oplossing is het aanzienlijk verbeteren van de nauwkeurigheid van afstandsmetingen op basis van sterren.
Nu verfijnt een studie gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters kosmische afstandsmetingen met behulp van sonore signalen van rode reuzen. De onderzoekers ontdekten dat de akoestische oscillaties van rode reuzensterren vertellen astronomen hoe ze de kosmische afstanden het beste kunnen meten met behulp van de “tip van de rode reuzentak”-methode.
Kosmische afstanden meten met rode reuzen
Laten we eerst even een paar termen uitleggen. Rode reuzen zijn ouder wordende sterren. Ze krijgen een roodachtige tint omdat ze waterstof in hun kernen afvoeren en waterstof aan de buitenkant gebruiken waardoor ze groter en koeler worden.
Op astronomische diagrammen leidt deze evolutie tot een “rode reuzentak”, een afwijking als gevolg van de toegenomen helderheid van de ster. De punt van de rode reuzentak (TRGB) is een cruciaal punt waar deze sterren helium ontsteken waardoor hun helderheidsevolutie wordt omgekeerd.
De TRGB, gemarkeerd door minder helderdere sterren erboven in het diagram, dient als een “standaardkaars” voor kosmische afstandsmetingen: door de bekende helderheid te vergelijken met de waargenomen helderheid in verre sterrenstelsels, kunnen astronomen afstanden berekenen, net zoals ze de afstand van een gloeilamp schatten aan de hand van zijn lichtsterkte.
Zingen in het donker
De onderzoekers analyseerden gegevens van het Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) en de Europese Gaia-missie om rode reuzen in de Grote Magelhaanse Wolk nauwkeurig te onderzoeken. De Grote Magelhaanse Wolk is een naburig sterrenstelsels dat in een baan om de Aarde draait en dient als belangrijk laboratorium voor onze kennis van de fysica van sterren.
In een verrassende wending ontdekten de wetenschappers dat alle sterren in de TRGB feitelijk periodiek in helderheid variëren; geluidsgolven reizen door de sterren zoals aardbevingen op Aarde, waardoor ze gaan oscilleren. Hoewel deze oscillaties eerder bekend waren, werd hun belang voor afstandsmetingen gemist. Maar nu konden de onderzoekers sterren onderscheiden op leeftijd, wat een meer genuanceerde benadering bood voor het meten van afstanden in het hele heelal.
Jonge rode reuzensterren in de buurt van de TRGB zijn iets minder helder dan hun oudere neven en de akoestische oscillaties die worden waargenomen als helderheidsschommelingen stellen astronomen in staat te begrijpen met welk type ster ze te maken hebben: de oudere sterren oscilleren op lagere frequenties, net zoals een bariton met een diepere stem zingt dan een tenor.
Dit onderscheid is cruciaal om zeer nauwkeurige afstandsmetingen te garanderen die nodig zijn voor de kosmologie en voor het verkrijgen van de beste kaart van het lokale heelal, aangezien rode reuzen in vrijwel elk sterrenstelsel voorkomen.
Het onderzoek identificeert ook verschillende verbeteringen aan de TRGB-afstandsmethode die essentieel zijn voor het begrijpen van recente debatten over de constante Hubble-spanning. Nu astronomen de leeftijden van de rode reuzen waaruit de TRGB bestaat kunnen onderscheiden, kunnen ze op basis daarvan de meting van de Hubbleconstante verder verbeteren.
Dergelijke verbeteringen zullen de Hubble-spanning verder op de proef stellen en ze zouden kunnen leiden tot baanbrekende nieuwe inzichten in de fundamentele fysische processen die bepalen hoe het heelal evolueert.
Artikel: Richard I. Anderson et al, Small-amplitude Red Giants Elucidate the Nature of the Tip of the Red Giant Branch as a Standard Candle, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad284d
Eerste publicatie: 17 maart 2024
Bron: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
