Henrietta Leavitt (vänster) och Kate Hartman (höger) - två astronomer med ett sekel från varandra som studerar Cepheid variabla stjärnor. Kredit:Cynthia Hunt (Carnegie Institution for Science)
Hela vår förståelse av universum bygger på att veta avstånden till andra galaxer, men denna till synes enkla fråga visar sig vara djävulskt svår att svara på. Det bästa svaret kom för mer än 100 år sedan från en astronom som för det mesta var okänd på sin tid – och idag, en annan astronom har använt data från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) för att göra dessa avståndsmätningar mer exakta än någonsin.
"Det har varit fascinerande att arbeta med sådana historiskt betydelsefulla stjärnor, säger Kate Hartman, en student från Pomona College som tillkännagav resultaten vid dagens American Astronomical Society (AAS) möte i National Harbor, Maryland. Hartman studerade "Cepheidvariabler, "en typ av stjärna som regelbundet pulserar in och ut, varierar i ljusstyrka under loppet av några dagar eller veckor.
Mönstret märktes första gången 1784 i stjärnbilden Cepheus på den norra himlen, så dessa stjärnor blev kända som "Cepheidvariabler." Cepheidvariabler gick från intressanta till helt oumbärliga i början av 1900-talet tack vare arbetet av astronomen Henrietta Leavitt. Leavitts bidrag ignorerades till stor del av en enkel anledning - hon var en kvinna vid en tidpunkt då kvinnor inte togs på allvar som astronomer.
Faktiskt, när Leavitt först anställdes av Harvard College Observatory 1895, hon anställdes som "dator" – en term som betydde något helt annat än vad den betyder idag. I dagarna innan moderna datorer eller till och med fickräknare, en "dator" var en person som anlitades för att utföra komplexa beräkningar i sitt sinne, endast assisterad av penna och papper. Även om arbetet var krävande, det togs inte på allvar av den tidens manliga professionella vetenskapsmän – det sågs som ett rotarbete som inte krävde intelligens eller insikt som kunde utföras av vem som helst, till och med en kvinna.
Så 1908 när Leavitt upptäckte ett samband mellan ljusstyrkan (eller "ljusstyrkan") för en Cepheid variabel stjärna och tiden det tog att gå igenom en hel cykel av förändring (dess "period"), hennes verk erkändes inte omedelbart för sin betydelse. Det tog år för det mestadels manliga astronomisamfundet att inse att detta förhållande (i dag känd som "Leavitt-lagen") innebär att mätning av perioden för en Cepheidvariabel omedelbart ger dess verkliga ljusstyrka - och dessutom, att jämföra detta med dess skenbara ljusstyrka omedelbart ger dess avstånd.
Tyvärr, det var först efter Leavitts död i cancer vid 53 års ålder som astronomer insåg att hon hade hittat nyckeln till att låsa upp avstånd till sådana stjärnor överallt – vare sig det är i vår Vintergatan eller i en galax i det avlägsna universum.
Genom att använda period-luminositetsförhållandet som Leavitt upptäckte, andra beräknade senare avstånden till Cepheidvariabler i galaxer utanför vår egen Vintergatan. Genom att göra så, de upptäckte att vårt universum expanderar, från en enda punkt för mer än 14 miljarder år sedan vid Big Bang – en upptäckt som aldrig hade varit möjlig utan upptäckten av Leavitt-lagen.
Mer än ett sekel senare, astronomer som Hartman fortsätter Leavitts arbete. Hennes tillkännagivande kom till som ett resultat av ett tio veckor långt sommarforskningsprojekt vid Carnegie Observatories. Hartman arbetade nära sin forskningsrådgivare, Rachael Beaton, en Hubble och Carnegie-Princeton-stipendiat nu baserad på Princeton University.
Verktyget som Hartman och Beaton använder för att förbättra vår kunskap om Cepheidvariabler är Sloan Digital Sky Surveys Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE), som systematiskt kartlägger stjärnornas kemiska sammansättning och rörelser i alla komponenter i vår galax.
Som Beaton förklarar, "APOGEE-undersökningen är optimerad för att studera det coola, gamla jätteliknande stjärnor som finns över hela vår galax. Och medan Cepheidvariabler är yngre och större, de är lika i temperatur, så de är väl lämpade för APOGEE."
Det faktum att Cepheidvariabler förekommer i APOGEE-undersökningen ger en fantastisk möjlighet att kalibrera Leavitt-lagen, men ger också en stor fördel:det tillåter astronomer att kartlägga unga stjärnor på samma sätt som de kartlägger gamla jättestjärnor. Genom att kartlägga dessa två typer av stjärnor tillsammans kan astronomer koppla samman strukturer från den antika galaxen till mer nyligen bildade komponenter. På det här sättet, Cepheidvariabler kan erbjuda en enorm insikt i strukturen av vår galax – men sådan insikt kommer med komplikationer.
Själva egenskapen hos dessa stjärnor som gjorde det möjligt för Henrietta Leavitt att upptäcka Leavitt-lagen – deras förutsägbara variationer i ljusstyrka – skapar utmaningar för APOGEE. "Under en pulsationscykel av en Cepheidvariabel, stjärnans egenskaper förändras, " säger Beaton. "Dess temperatur, ytgravitation, och atmosfäriska egenskaper kan variera mycket under en ganska kort tid. Så hur kan APOGEE mäta dem korrekt? Jag trodde att det skulle vara ett utmärkt sommarforskningsprojekt att ta reda på."
Student som antog utmaningen var Kate Hartman från Pomona College i Claremont, Kalifornien. Hartman kunde visa att det är möjligt att få konsekventa mätningar av den kemiska sammansättningen av Cepheidvariabler, oavsett när i sin cykel de observerades av APOGEE.
Hartman förklarar, "Jag var tvungen att titta på flera spektra från samma Cepheid-variabel och mäta mängden olika element i stjärnan. När vi tittade på en stjärnas spektrum över hela dess pulsationscykel, vi hittade inga signifikanta skillnader i resultaten. Det betyder att vi får tillförlitliga resultat varje gång vi tittar."
Att veta att APOGEE på ett tillförlitligt sätt kan mäta Cepheidvariabler är särskilt viktigt, Hartman förklarar, eftersom det är den första undersökningen som ser så många, så regelbundet, och på så många ställen. Eftersom APOGEE nu fungerar samtidigt med dubbla instrument på teleskop på både norra och södra halvklotet, den kan se hela galaxen, samt våra grannar det stora och lilla magellanska molnet. Detta innebär att Cepheider kan observeras i väldigt olika kemiska miljöer, använder samma instrument och dataanalysprocess varje gång.
Som ett resultat av Hartmans fynd, ytterligare APOGEE-observationer av Cepheidvariabler är nu på god väg. Jen Sobeck vid University of Washington, APOGEEs projektledare, förklarar, "undersökningen kommer att observera de mest närliggande och välstuderade cepheiderna med observationer flera gånger i månaden, kommer att rikta in sig på Cepheider i det stora och lilla magellanska molnet i januari, och planerar att så småningom rikta in sig på alla Cepheider i alla delar av himlen vi observerar. Dessa observationer är ett viktigt tillägg till APOGEE-kartan över galaxen."
Med direkta avstånd från trigonometriska parallaxer till en miljard stjärnor i vår galax som snart kommer från ESA Gaia-uppdraget, APOGEE-spektroskopin är den sista pusselbiten för att slutföra arbetet som startade av Henrietta Leavitt 1908 och ger en exakt kalibrering av Leavitt-lagen i alla Cepheid-stjärnor. Och den kommande Sloan Digital Sky Survey V kommer att ge ännu bättre data. Med alla dessa nya verktyg till sitt förfogande, astronomer kommer att kunna följa upp arbetet från astronomer som Leavitt – och Hartman – i generationer framöver.
