Kosmiline kaugusredel (määratlus): kosmilise kauguse skaala ja mõõtemetoodid

Kosmiline kaugusredel: põhjalik selgitus kosmilise kauguse skaala ja mõõtemetodite kohta — standardküünlad, sammhaaval lähenemised ja nende piirangud astronoomias.

Kosmilise kauguse skaala (tuntud ka kui ekstragalaktiline kaugusskaala) on viis, kuidas astronoomid mõõdavad objektide kaugust kosmoses. Ükski meetod ei toimi kõigi objektide ja kauguste puhul, seega kasutavad astronoomid mitut meetodit, mis kombineerituna moodustavad nn kosmilise kauguse redeli. Iga “aste” annab andmeid ja kalibreerib järgmise, kaugema astme meetodeid.

Tegelik otsene kauguse mõõtmine tugineb geomeetriale (näiteks parallaksile) ja on võimalik ainult suhteliselt lähedal asuvate objektide puhul. Traditsiooniliselt peeti parallaksi kasutamist usaldusväärseks kuni umbes tuhande parseki ulatuses, kuid kaasaegsete satelliitide (nt Gaia) abil ulatub geomeetriline kalibreerimine nüüd oluliselt kaugemale, kuigi veaosakaal suureneb kaugemal. Paljud kaugusemõõtmise tehnikad tuginevad standardküünalale — objektile, mille standardvalgus (häälestatud absoluutne heledus) on teada või mille saab kalibreerida.

Peamised meetodid ja kus neid kasutatakse

Geomeetriline parallaks — otse mõõdetav nurkeline nihke muutus Maa (või Maa ja satelliidi) liikumise tõttu. Sobib lähitähtedele ja lähimale galaktikalastule; Gaia andmetega saab parimaid parallakse kuni mõne kiloparseci.
Spektroskoopiline parallaks — tähe spektrit ja pinnatemperatuuri kasutades hinnatakse absoluuthämarust; sobib tähtedele galaktikas ja lähikogumitele (kiloparsekid kuni kümned kiloparsekid), kuid sõltub mudelitest ja interstellaarse tolmu parandustest.
Hetked täheparvedes ja eclipsing binariates — täpne geomeetriline või füüsikaline kauguse määramine klastritele ja paaridele; oluliseks kalibriallikaks näiteks Suur Magellaani Pilv (LMC).
Cepheid'id ja RR Lyrae (standardküünlad) — muutuvtähed, mille perioodi ja heleduse suhe võimaldab kaugust hinnata. Cepheid'id töötab kuni ~tuhandete kiloparsekite või kümnete megaparsekitega, sõltuvalt teleskoopidest (HST, JWST jms).
Tip of the Red Giant Branch (TRGB) — punaste hiidude kõige eredama osa kasutamine galaktikate kauguse määramiseks; kasulik kuni kümnete megaparsekite.
Tully–Fisher ja Faber–Jackson seosed — seosed galaktika pöörlemiskiiruse või tähesüsteemi sisestruktuuri ja nende heleduse vahel; kasutatakse spiraal- ja elliptiliste galaktikate kauguste hindamiseks (kümned kuni sajad megaparsekid).
Pinna säravuse kõikumised (Surface Brightness Fluctuations, SBF) — mittelineaarsete heleduste statistika galaktika pinnal; töötab lokaalsetes galaktika rühmades ja kuni mõnekümne megaparsekini.
Tüübimärgiga Ia supernoovad (Type Ia) — väga eredad standardküünlad, mida kasutatakse kaugete galaktikate mõõtmiseks kuni sadade megaparsekite ja gigaparsekite skaalal; need on kosmoloogiliselt olulised Hubble'i kiiruse määramiseks.
Maserite geomeetria — vesimasseri või teiste mikrolainete andmete kasutamine aktiivsete galaktikakeskmete täpseks geomeetriliseks kauguseks (näiteks NGC 4258); väga kõrge täpsus, kuid harva esinev.
Gravitatsiooniliste läätsede ajaviivitused — aja viivituse mõõtmine mitme pildi vahel läätsestatud allikal annab kosmilise skaalaga seotud kaugust (ja H0) suurel vahemaal.
Punanihe ja Hubble'i seadus — süstemaatiline punanihe annab kiiruse; Hubble'i seaduse abil (v = H0 × d) saab hinnata kaugusi väga suurtele skaalaid, kui eeldatakse kosmoloogilist mudelit. See on inderektne ja sõltuv kosmoloogilistest parameetritest.
Standardmõõtjad (standard rulers) — objektiivsed füüsikalised skaalad nagu baryoniliste helilaineoscillatsioonide (BAO) spektriline pikkus, mida kasutatakse universumi geomeetria mõõtmiseks suurel skaalaal.

Mõõtmisvahemikud (ligikaudsed) ja piirangud

Parallaks: kuni mõne kiloparsecini (Gaia puhul mõnes olukorras kaugemalt, kuid kasvava veaga).
Cepheid'id, RR Lyrae, TRGB: lokaalsest rühmast kuni mõne kümne megaparsekini, sõltuvalt instrumentidest.
SNe Ia ja BAO: sadadest megaparsekitest kuni gigaparsekini (kosmoloogilised kaugused).

Kalibreerimine ja süsteemsed vead

Kõik kaugusemõõtmised sõltuvad korrektsest kalibreerimisest. Geomeetrilised meetodid (parallaks, maserid, eclipsing binary'd) toimivad kui alus—neid kasutatakse standardküünalde ja teiste indikaatorite kalibreerimiseks. Peamised süsteemsed vead ja raskused on:

Interstellaarne extinktioon (tolmu summutav toime) ja selle parandamine.
Metallilisuse (keemiline koostis) mõju standardtähtede omadustele (nt Cepheid'id muutuvad metallilisuse tõttu eredamaks või nõrgemaks).
Valimi valiku efektid ja Galaktika või galaktikagruppide struktuur (jaotumine ruumis).
Fotomeetria ja spektri kalibreerimise erinevused erinevate vaatlusinstrumentide vahel.

Miks redelit vaja on ja tänapäevased väljakutsed

Analogia redeliga väljendab, et ühe meetodiga ei saa katta kogu universumi kauguste skaalat. Iga meetod annab piiratud vahemiku ja täpsuse, kuid koos võimaldavad need mõõta kaugusi alates lähimatest tähtedest kuni universumi suurima struktuurini. Tänapäevaseks aktuaalseks teemaks on ka nn Hubble'i kiiruse pinge (H0 tension): lokaalsed meetodid (Cepheid'id + SNe Ia) annavad veidi erineva H0 väärtuse kui kosmoloogilised meetodid (CMB ja BAO), mis viitab kas alatäpsustele kalibreerimises, teadmata süsteemsetele vigadele või uuele füüsikale.

Mõõtühikud ja praktiline tähendus

Parsec (pc): 1 pc ≈ 3,26 valgusaastat. Suured vahemaad väljendatakse kiloparsekites (kpc), megaparsekites (Mpc) või gigaparsekites (Gpc).
Valguskiirusest ja punanihemisest tulenevad sümptomid muutuvad kosmoloogilisel skaalal — seetõttu kasutatakse kosmoloogilisi mudeleid kauguse tõlgendamiseks väga kaugete objektide puhul.

Kokkuvõttes on kosmiline kauguse redel hädavajalik raamistik astronoomias: see ühendab geomeetrilisi mõõtmisi ja füüsikalisi standardeid, võimaldades meil mõõta kosmose suurust ja struktuuri. Iga uus täpsusparandus (nt Gaia, JWST, täpsemad maseriuuringud) parandab redeli ülemiste astmete usaldusväärsust ja viib parema arusaamani universumi laienemisest ja ajaloost.

Otsesed meetmed

Astronoomiline üksus

Astronoomiline ühik on Maa keskmine kaugus Päikesest. Seda teame me üsna täpselt. Kepleri seadused ütlevad planeetide vahemaade vahemaade suhtarvud ja radar näitab absoluutset kaugust sisemistest planeetidest ja nende ümber tiirlevatest tehissatelliitidest.

Parallax

Parallaks on trigonomeetria kasutamine Päikesesüsteemi lähedal asuvate objektide kauguste avastamiseks.

Kuna Maa tiirleb ümber Päikese, näib lähedal asuvate tähtede asukoht veidi nihkuvat kaugema tausta suhtes. Need nihked on nurgad täisnurkses kolmnurgas, kus 2 AU moodustab kolmnurga lühikese jala ja kaugus tähest pika jala. Nihke suurus on üsna väike, 1 kaarekesekundiga 1 parsek (3,26 valgusaastat) kaugusel asuva objekti puhul, mille kaugus on 1 parsek (3,26 valgusaastat).

See meetod töötab kuni paarisaja parsekini ulatuvate vahemaade puhul.

Standardküünlad

Teadaoleva heledusega objekte nimetatakse standardküünaldeks. Enamik füüsilisi kaugusnäitajaid on standardküünlad. Need on objektid, mis kuuluvad teatavasse klassi, millel on teadaolev heledus. Võrreldes viimase teadaolevat heledust selle täheldatud heledusega, saab objekti kaugust arvutada pöördruutse seaduse abil.

Astronoomias väljendatakse objekti heledust selle absoluutse suurusena. See suurus saadakse selle heleduse logaritmina 10 parseki kauguselt vaadatuna. Näiline heledus on tähistaeva poolt vaadeldav heledus. Selle abil saab määrata objekti kauguse D kiloparssekides (kiloparssek = 1000 parsekit) järgmiselt:

5 ⋅ log D10 k p c = m - M -10 , {\displaystyle {\begin{smallmatrix}5\cdot \log _{10}{\frac {D}{\mathrm {kpc} }}\ =\ m\ -\ M\ -\ 10,\end{smallmatrix}}} ${\begin{smallmatrix}5\cdot \log _{10}{\frac {D}{\mathrm {kpc} }}\ =\ m\ -\ M\ -\ 10,\end{smallmatrix}}$

kus m on näiline suurus ja M absoluutne suurus. Et see oleks täpne, peavad mõlemad suurused olema samas sagedusalas ja radiaalses suunas ei tohi olla suhtelist liikumist.

Samuti on vaja arvestada tähtedevahelist kustumist, mis samuti muudab objektid nõrgemaks ja punasemaks. Absoluutse ja näiva heleduse erinevust nimetatakse kaugusmooduliks ja astronoomilisi kaugusi, eriti galaktikatevahelisi, on mõnikord tabelis esitatud sel viisil.

Probleemid

Iga standardküünla klassi puhul on kaks probleemi. Peamine neist on kalibreerimine, s.t. selle väljaselgitamine, milline on küünla absoluutne suurus.

Teine seisneb klassi liikmete äratundmises. Standardne küünlakalibreerimine ei toimi, kui objekt ei kuulu klassi. Äärmuslikel kaugustel, kus soovitakse kõige enam kasutada kaugusindikaatorit, võib see äratundmisprobleem olla üsna tõsine.

Standardküünalde puhul on oluline küsimus, kui standardsed need on. Näiteks näivad kõik vaatlused näitavat, et teadaoleva kaugusega Ia-tüüpi supernoovad on sama heledusega, kuid on võimalik, et kaugel asuvatel Ia-tüüpi supernoovadel on teistsugused omadused kui lähedal asuvatel Ia-tüüpi supernoovadel.

Galaktilise kauguse näitajad

Mõningate eranditega on otsemõõtmistel põhinevad kaugused kättesaadavad ainult kuni umbes tuhande parsekini, mis on tagasihoidlik osa meie enda galaktikast. Sellest kaugemate vahemaade puhul sõltuvad mõõtmised füüsikalistest eeldustest, s.t. väitest, et kõnealune objekt on äratuntav ja objektide klass on piisavalt homogeenne, et selle liikmeid saaks kasutada kauguse mõttekaks hindamiseks.

Füüsilised kaugusnäitajad, mida kasutatakse järjest suurematel kaugusskaaladel, hõlmavad järgmist:

Pimenevad kaksikjuhtumid - Viimasel aastakümnel on pimenevate kaksikjuhtumite mõõtmine andnud võimaluse hinnata galaktikate kaugust. Täpsus 5% tasemel kuni umbes 3 miljoni parseki kauguseni.
RR Lyrae muutlikud tähed - on perioodilised muutlikud tähed, mida tavaliselt leidub gloobulaarsetes tähtede kogumites ja mida kasutatakse sageli galaktiliste kauguste mõõtmisel standardküünaldena. Neid punaseid hiiglasi kasutatakse kauguste mõõtmiseks galaktika sees ja lähedalasuvate gloobulaarsete kogumite puhul.
Galaktilises astronoomias kasutatakse standardküünaldena röntgenvälgatusi (neutrontähe pinnal toimuvaid termotuumaplahvatusi). Röntgenipursete vaatlused näitavad mõnikord röntgenspektrit, mis viitab raadiuse laienemisele. Seetõttu peaks röntgenvoog plahvatuse tipus vastama Eddingtoni heledusele, mida saab arvutada, kui neutrontähe mass on teada (1,5 päikese massi on tavaliselt kasutatav eeldus).
Cepheidi muutujad ja novae

Cepheidid on väga heledate muutlike tähtede klass. Tugev otsene seos Cepheidi muutuja heleduse ja pulsatsiooniperioodi vahel kindlustab Cepheididele nende staatuse kui tähtsate standardküünalde staatuse galaktiliste ja ekstragalaktiliste kaugusskaalade määramisel.
Novae lubab kasutada standardküünaldena. Näiteks on nende absoluutse heleduse jaotus bimodaalne, kusjuures peamine tipp on heleduse -8,8 juures ja väiksem -7,5 juures. Novae on ka umbes sama absoluutne heledus 15 päeva pärast tippu (-5,5). See meetod on umbes sama täpne kui Cepheidi muutlike tähtede meetod.

Valged kääbused. Kuna supernoovaks muutuvatel valgetel kääbustähtedel on ühtlane mass, on Ia-tüüpi supernoovade heleduse tipptase ühtlane. Selle väärtuse stabiilsus võimaldab neid plahvatusi kasutada standardküünaldena, et mõõta nende peremeesgalaktikate kaugust, sest supernoovade visuaalne heledus sõltub eelkõige kaugusest.
Punanihe ja Hubble'i seadus Kasutades Hubble'i seadust, mis seob punanihe ja kauguse, saab hinnata iga konkreetse galaktika kaugust.

Põhijärjekorra paigaldamine

Hertzsprung-Russelli diagrammil on tähtede grupi absoluutne heledus esitatud tähtede spektraalse klassifikatsiooni suhtes. Leitakse evolutsioonimustrid, mis on seotud tähe massi, vanuse ja koostisega. Eelkõige paiknevad tähed oma vesiniku põlemisperioodi jooksul diagrammi kõveral, mida nimetatakse peajooksuks.

Tähe spektri omadusi mõõtes saab leida põhijärjestuse tähe positsiooni H-R diagrammil. Selle põhjal saab hinnata tähe absoluutset suurusjärku. Selle väärtuse võrdlemine nähtava heledusega võimaldab määrata ligikaudse kauguse, kui on korrigeeritud heleduse tähtedevaheline kustumine gaasi ja tolmu tõttu.

Gravitatsiooniliselt seotud tähtede kogumites, nagu näiteks Hyades, on tähed tekkinud umbes sama vanuselt ja asuvad samal kaugusel. See võimaldab suhteliselt täpset peajada sobitamist, mis võimaldab nii vanuse kui ka kauguse määramist.

See ei ole meetodite täielik loetelu, kuid see näitab, kuidas astronoomid kasutavad astronoomiliste objektide kauguse hindamist.

Nova Eridani 2009 (näiline heledus ~8,4) täiskuu ajal.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kosmiline kaugusredel?

V: Kosmiline kaugusredel on meetod, mida astronoomid kasutavad objektide kauguse mõõtmiseks kosmoses.

K: Miks kasutavad astronoomid kosmose kauguste mõõtmiseks mitmeid meetodeid?

V: Ükski meetod ei toimi kõigi objektide ja kauguste puhul, seega kasutavad astronoomid mitmeid meetodeid.

K: Kas astronoomiliste objektide kauguse otsene mõõtmine on võimalik kõigi objektide puhul?

V: Ei, otsene kauguse mõõtmine on võimalik ainult nende objektide puhul, mis on Maale piisavalt lähedal (umbes tuhande parseki piires).

K: Mis on standardküünal?

V: Standardküünal on astronoomiline objekt, mille heledus on teadaolevalt standardne.

K: Miks kasutatakse kosmilise kauguse redeli puhul analoogiat redeliga?

V: Analoogiat redeliga kasutatakse seetõttu, et ühegi meetodiga ei saa mõõta kaugusi kõigis astronoomias esinevates kaugustes, selle asemel saab kasutada ühte meetodit lähedalasuvate kauguste mõõtmiseks ja iga redeli astmestik annab teavet, mida saab kasutada järgmise kõrgema astme kauguste määramiseks.

K: Mida annab kosmilise kauguse redeli iga astmestik?

V: Kosmilise kauguse redeli iga astmestik annab teavet, mida saab kasutada järgmise kõrgema astme kauguste määramiseks.

K: Mis on ekstragalaktiline kaugusskaala?

V: Ekstragalaktiline kaugusskaala on teine termin kosmilise kauguse redelile, mida astronoomid kasutavad kosmoses asuvate objektide kauguse mõõtmiseks.