Precyzyjny pomiar rozmiarów Wszechświata Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez prof. Grzegorza Pietrzyńskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego,  ogłosił na łamach prestiżowego tygodnika naukowego Nature wyniki pomiaru odległości do pobliskiej galaktyki, Wielkiego Obłoku Magellana, dokonanego z bezprecedensową dokładnością około 2%. Odległość do tej galaktyki od wielu lat uznawana jest przez astronomów za wzorzec odległości we Wszechświecie, swoisty odpowiednik wzorca metra przechowywanego w Sèvres pod Paryżem. Pomiar odległości przekraczającej 160 000 lat świetlnych z precyzją przypominającą dokładność pomiarów odległości jakich dokonujemy w życiu codziennym, pozwala bardzo dokładnie wykalibrować „kosmiczną linijkę” służącą astronomom do pomiaru odległości we Wszechświecie, a co za tym idzie wyznaczyć słynną stałą Hubble’a z dokładnością około 3% – wyjaśnia znaczenie rezultatów badań profesor Pietrzyński.

Od czasu odkrycia ekspansji Wszechświata pomiar stałej Hubble’a jest powszechnie uważany za jedno z najważniejszych zadań i wyzwań współczesnej astrofizyki, definiuje ona bowiem tempo ekspansji Wszechświata. Precyzyjna wartość stałej Hubble’a jest niezbędną informacją potrzebną do analizy przyszłych losów Wszechświata, a jej dokładny pomiar powinien przybliżyć nas również do odkrycia natury zagadkowej ciemnej energii, która stanowi aż 75% masy Wszechświata.

Po prawie stu latach badań okazało się, że najlepszy pomiar stałej Hubble’a należy wykonać w trzech krokach. Podstawą pomiaru jest wyznaczenie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana. Następnie przy użyciu gwiazd zmiennych zwanych Cefeidami mierzy się odległości do innych galaktyk, przyjmując za jednostkę odległość do Wielkiego Obłoku Magellana. W ten sposób można zmierzyć odległości aż do galaktyk, w których zaobserwowano wybuchy gwiazd supernowych i skalibrować jasność supernowych. Pomiary jasności gwiazd supernowych służą z kolei  do wyznaczania odległości do bardzo odległych zakątków Wszechświata.

Okazuje się, że największym problemem w tej złożonej i skomplikowanej procedurze wyznaczania rozmiarów Wszechświata jest dokładny i wiarygodny pomiar odległości do Wielkiego Obłoku Magellana.  Dlatego pomiar odległości do Wielkiego Obłoku Magellana, stanowiący podstawę „kosmicznej linijki”, jest tak istotny dla współczesnej astrofizyki – objaśnia prof. Pietrzyński. W literaturze można znaleźć ponad 500 wyznaczeń odległości do tej galaktyki. Najbardziej wiarygodne wyznaczenia mają dokładność rzędu 10%. Trzeba zaznaczyć, że znakomita większość pomiarów wymagała dodatkowych założeń, co praktycznie uniemożliwia poprawną ocenę ich dokładności – dodaje prof. Pietrzyński.

Jednym z najbardziej obiecujących sposobów dokładnego, czysto eksperymentalnego wyznaczania odległości w pobliskim Wszechświecie jest wykorzystanie tzw. gwiazd zaćmieniowych. Są to układy dwóch gwiazd związanych siłami grawitacji i obiegających wspólny środek masy oraz umiejscowionych w przestrzeni w taki sposób, że obserwowane z Ziemi przesłaniają się wzajemnie. Obserwacje zmian blasku takich układów gwiazd oraz pomiary prędkości ruchu obiegowego ich składników pozwalają na podstawie prostych praw fizyki wyznaczyć rozmiary liniowe gwiazd oraz, w przypadku chłodnych gwiazd, ich rozmiary kątowe, co umożliwia bezpośrednie wyznaczenie odległości.

Dzięki analizie unikalnych danych fotometrycznych kilkudziesięciu milionów gwiazd z Wielkiego Obłoku Magellana zebranych w ramach projektu OGLE, realizowanego w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego pod kierownictwem prof. Andrzeja Udalskiego, udało się odkryć unikalne układy zaćmieniowe złożone z olbrzymich chłodnych gwiazd (typowo 30 razy większych od Słońca), krążące wokół wspólnego środka masy z okresami kilkuset dni.  Gwiazdy te są dostatecznie jasne aby móc wykonać dla nich konieczne pomiary z doskonałą dokładnością.

W ramach międzynarodowego projektu Araucaria, którego liderem jest prof. Pietrzyński, wykonano w ciągu ostatnich ośmiu lat za pomocą wielkich teleskopów optycznych w Chile: 6.5-m teleskopu Magellana w Obserwatorium Las Campanas  oraz 3.6-m teleskopu i 3.5-m teleskopu NTT w Obserwatorium ESO w La Silla wszystkie potrzebne obserwacje wyselekcjonowanych z danych OGLE systemów zaćmieniowych. W połączeniu z precyzyjnymi pomiarami jasności uzyskanymi przez projekt OGLE w Obserwatorium Las Campanas naukowcy wyznaczyli odległość do Wielkiego Obłoku Magellana z bezprecedensową dokładnością około 2%.  

Należy zaznaczyć, że przedstawiony pomiar jest w pełni empiryczny i nie wymaga żadnych dodatkowych założeń. Ogromna prostota metody pozwala na bardzo dokładne oszacowanie precyzji wyznaczenia odległości, co jest niemożliwe w przypadku innych technik używanych do pomiaru odległości do pobliskich galaktyk – tłumaczy prof. Pietrzyński.

Co ważniejsze, dokładność techniki wyznaczania odległości za pomocą chłodnych gwiazd zaćmieniowych będzie w niedalekiej przyszłości można jeszcze zwiększyć – nawet do 1% – dzięki trwającym właśnie pracom projektu Araucaria nad poprawieniem używanych obecnie zależności do wyznaczania rozmiarów kątowych gwiazd.

Precyzyjne wyznaczenie odległości do Wielkiego Obłoku Magellana za pomocą gwiazd zaćmieniowych stanowi wielki krok dla niepodważalnego ustalenia skali odległości we Wszechświecie. Warto jednocześnie wspomnieć, że i dalsze  szczeble wyznaczania odległości we Wszechświecie oparte są o polskie pomiary. Najprecyzyjniejsze istniejące kalibracje gwiazd pulsujących Cefeid oparte są na  badaniach tysięcy tego rodzaju obiektów odkrytych przez projekt OGLE w Obłokach Magellana – dodaje prof. Andrzej Udalski,  współautor pracy i lider projektu OGLE.

Praca opisująca wyniki badań  opublikowana została w tygodniku naukowym Nature:

An eclipsing-binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to two per cent
G. Pietrzyński, D. Graczyk, W. Gieren, I. B. Thompson, B. Pilecki, A. Udalski, I. Soszyński, S. Kozłowski, P. Konorski, K. Suchomska, G. Bono, P. G. Prada Moroni, S. Villanova, N. Nardetto, F. Bresolin, R. P. Kudritzki, J. Storm, A. Gallenne, R. Smolec, D. Minniti, M. Kubiak, M.K. Szymański, R. Poleski, Ł. Wyrzykowski, K. Ulaczyk, P. Pietrukowicz, M. Górski & P. Karczmarek, Nature, 2013,  495, p. 76  (7 marca 2013).