Forsiden

Avstander i universet Del III

2005-01-02
Cepheider og novae, millioner av lysår, elliptiske galakser og grupper av galakser. Kan det bli bedre?

Introduksjon

I første del av artikkelserien lærte vi om radar og parallaksemetoden. I andre del lærte vi om konvergenspunktmetoden og Hertzsprung-Russel diagram: Hovedserietilpasning for stjernehoper som gir oss muligheten til å måle objekter 50.000 lysår unna. I del 3 fortsetter vi med cepheider og novae. Med disse to metodene kan vi måle avstander på 100 millioner lysår!

Cepheider

Cepheider er gule kjempestjerner som har en helt spesiell egenskap - de pulserer. Pulsarer er som et fyrtårn som roterer og av og til sneier innom Jorden. Cepheider derimot pulserer i ordets rette forstand, de vokser og krymper regelmessig.
Cepheider pulserer fordi de har en del positivt ladet helium (He+) i atmosfæren. Til tross for at He+ er noenlunde gjennomsiktig for lyset fra gule kjempestjerner, vil noen He+ etterhvert ioniseres til He+2. He+2 er forskjellig fra He+, den er ikke gjennomsiktig og vil stenge strålingen fra Cepheiden inne akkurat som i en ukontrollerbar drivhuseffekt. Cepheiden klarer ikke å kvitte seg med alle photonene den produserer på grunn av He+2 og blir derfor varmere slik at den begynner å vokse. Det er nå Cepheidene ser ut til å øke i lysstyrke. Atmosfæren fortsetter å vokse til den blir for stor og kjøles ned. Nå er det plutselig mindre stråling enn vanlig og mye av He+2 går tilbake til He+ som gjør at atmosfæren blir mer gjennomsiktig igjen. Stjernen greier endelig å kvitte seg med all varmen og krymper. Med sammentrekningen begynner den på nytt å varmes opp og vi er ved utgangspunktet.
Article image
En beskrivelse av hvordan cepheider pulserer. (VitNytt)

Cepheider ble første gang oppdaget i 1784 da John Goodricke fant at stjernen Delta Cephei jevnlig varierte i lysstyrke over en periode på 5 dager, 8 timer og 48 minutter. Henrietta Leavitt oppdaget at lengden på perioden var proposjonal med lysstyrken i 1912 og det er denne sammenhengen som gjør den verdifull til avstandsmåling. Ved å måle perioden til en Cepheide kan vi regne ut den absolutte lysstyrken. Ved å sammenligne den absolutte lysstyrken med den observerte lysstyrken finner vi avstanden, se definisjonen om Forholdet mellom lysstyrke og avstand for hvordan man kan finne avstand når man vet lysstyrken.
Article image
Cepheiden i galaksen M100 er den fjerneste vi kjenner til. Tre stadier i pulseringen kan ses i de tre utsnittene. (Dr. Wendy L. Freedman, Observatories of the Carnegie Institution of Washington, og NASA)
Edwin Hubble brukte dette til å bevise at melkeveien er kun en av mange galakser da han fant en cepheide som var 25 ganger lengre unna enn stjernene i Melkeveien i 1923. I dag vet vi at forholdet mellom periode og lysstyrke er veldig presist og kan brukes til å måle avstander meget nøyaktig og siden Cepheider er så lyssterke vises de fra lange avstander. En Cepheide med en periode på 3 dager vil være 800 ganger mer lyssterk enn Solen. Øker du perioden til 30 dager øker lysstyrken til 10.000 ganger Solen.

En av de nærmeste Cepheiden er faktisk nordstjernen, Polaris, som befinner seg 431 lysår unna (målt av Hipparcos-satellitten). Rundt år 1900 viste Polaris en variasjon i lysstyrke fra -8% til +8% som tilsvarer et hopp på 0.15 størrelsesordner. I dag er variasjonen betydelig mindre, kun 2% fra bunn til topp, og dette gjør at vi ikke kan se at den pulserer med det blotte øyet. Merkelig er det også at Polaris gjennomsnitlig er 15% lysere enn den var i 1900 samtidig som at perioden har økt med 8 sekunder. Disse forandringene er 100 ganger større enn hva teoretiske modeller om stjerners utvikling tilsier og er en gåte for forskerne.

Den fjerneste Cepheiden som er oppdaget hittil befinner seg i galaksen M100 rundt 56 millioner lysår unna. Deb ble oppdaget ved hjelp av Hubbleteleskopet i 1994 og har en periode på 51.3 dager. Den observerte lysstyrken varierer mellom størrelsesordnene +24.5 og +25.3 som er vel innenfor grensen til Hubbleteleskopet - likevel, denne cepheiden ligger antageligvis tett opptil grensen på avstander man kan måle med denne metoden. Man regner med at man kan måle avstander til Cepheider opp til 60-70 millioner lysår unna. Vi kjenner til over 700 Cepheider i vår egen galakse så det skulle være gode muligheter for å finne Cepheider i andre galakser også. Problemet er bare at cepheider er unge stjerner og den vanligste galaksetypen, elliptiske galakser, har omtrent kun gamle stjerner. Cepheider finner man i spiralgalakser som Melkeveien. I tillegg har man funnet at forholdet mellom lysstyrken og perioden kan variere med små konsentrasjonsforskjeller av tyngre stoffer, som begrenser nøyaktigheten med denne metoden, spesielt på lange avstander.