En bild kan säga mer än tusen ord, men för astronomer räcker det inte att bara spela in bilder av stjärnor och galaxer. För att mäta den verkliga storleken och den absoluta ljusstyrkan (luminositet) hos himmelska kroppar måste astronomer noggrant mäta avståndet till dessa objekt. För att göra det förlitar sig forskarna på "standardljus" - stjärnor vars ljusstyrka är så välkänd att de fungerar som glödlampor med känt wattal. Ett sätt att bestämma en stjärnas avstånd från jorden är att jämföra hur ljus stjärnan ser ut på himlen med dess ljusstyrka.

Men även standardljus behöver kalibreras. I mer än ett decennium har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) arbetat med att förbättra metoderna för att kalibrera standardstjärnor. De observerade två närliggande ljusstarka stjärnor, Vega och Sirius, för att kalibrera deras ljusstyrka över en rad våglängder för synligt ljus. Forskarna slutför nu sin analys och planerar att släppa kalibreringsdata till astronomer inom de närmaste 12 månaderna.

Kalibreringsdata kan hjälpa astronomer som använder mer avlägsna standardljus - exploderade stjärnor som kallas supernovor av typ Ia - för att bestämma universums ålder och expansionshastighet. (Att jämföra ljusstyrkan hos avlägsna supernovor av typ Ia med närliggande supernovor ledde till den Nobelprisbelönta upptäckten att universums expansion inte saktar ner, som förväntat, utan faktiskt snabbare.)

Astronomer kanske kan använda NIST-kalibreringarna av Vega och Sirius för att bättre jämföra ljusstyrkan hos närliggande och avlägsna supernovor av typ Ia, vilket leder till mer exakta mätningar av universums expansion och dess ålder.

I den pågående NIST-studien observerar forskare de två närliggande stjärnorna med ett fyra-tums teleskop som de designade och placerade på toppen av Mount Hopkins i öknen i södra Arizona. John Woodward, Susana Deustua och deras kollegor har upprepade gånger observerat spektra, eller färger, av ljus som emitteras av Vega (25 ljusår bort) och Sirius (8,6 ljusår). Ett ljusår, sträckan som ljus färdas genom ett vakuum är ett år, är 9,46 biljoner kilometer.

I början och slutet av varje observationsnatt lutar forskarna teleskopet nedåt så att de kan jämföra stjärnspektra med det hos en konstgjord stjärna – en kvartslampa vars ljusstyrka har uppmätts exakt och placerats 100 meter från teleskopet.

Innan forskarna direkt kan göra jämförelserna måste de redogöra för effekten av jordens atmosfär, som sprider och absorberar en del av stjärnljuset innan det kan nå teleskopet. Även om ljuset från den markbaserade lampan inte färdas genom hela atmosfärens djup, sprids en del av det med luft under sin korta, horisontella resa till teleskopet.

För att bedöma hur mycket av det markbaserade ljuset som sprids från lampan, mäter NIST-teamet det relativa förhållandet mellan kraft som genereras av en helium-neonlaser vid dess utmatning och 100 m bort, på platsen för lampan.

För att avgöra hur mycket stjärnljus som går förlorat till jordens atmosfär, registrerar forskarna mängden stjärnljus som når teleskopet när det pekar i olika riktningar och tittar genom olika tjocklekar av atmosfären under natten. Förändringar i mängden ljus som registreras av teleskopet när natten fortskrider gör det möjligt för astronomer att korrigera för den atmosfäriska absorptionen.

När Vega och Sirius väl är kalibrerade kan astronomer använda dessa stjärnor som språngbrädor för att kalibrera ljuset från andra stjärnor. Genom att till exempel använda samma teleskop kan forskare observera en uppsättning lite svagare stjärnor – kalla dem Set 2. Ljusstyrkan hos dessa svagare stjärnor kan sedan kalibreras med Vega och Sirius som referensstandarder.

Genom att byta till ett teleskop som är tillräckligt stort för att observera både den nyligen kalibrerade uppsättningen 2 och en grupp ännu svagare stjärnor (kalla dem uppsättning 3), kan astronomer kalibrera ljuset från uppsättning 3 i termer av uppsättning 2. Astronomer kan upprepa processen efter behov för att kalibrera ljus från extremt avlägsna stjärnor. På detta sätt kommer astronomer att kunna överföra NIST-kalibreringen av Vega och Sirius till stjärnor som ligger tusentals till miljoner ljusår bort.

Nästa år kommer Deustua och Woodward att flytta sitt lilla teleskop, nu tillbaka på NIST, till European Southern Observatorys (ESO:s) Paranal Observatory i norra Chiles höghöjdsöken. Med ett torrare klimat än Mt. Hopkins lovar den chilenska platsen mer klara nätter för att observera Sirius och Vega och mindre fukt för att absorbera eller sprida ljuset. Teleskopet kommer att sitta på en bergstopp borta från ESO:s Very Large Telescope, en svit med fyra 8,2 m teleskop och fyra 1,2 m teleskop, så att ljuset från NIST:s kvartslampa inte ska störa observationer av avlägsna galaxer.

Teamet planerar också att utöka sin repertoar av ljusa närliggande stjärnor till att inkludera Arcturus (37 ljusår), Gamma Crucis (89 ljusår) och Gamma Trianguli Australis (184 ljusår) och att observera stjärnor vid längre infraröda våglängder . Det nyligen uppskjutna rymdteleskopet James Webb och det romerska rymdteleskopet, som ska lanseras i slutet av årtiondet, är designade för att undersöka universum vid dessa våglängder.

NIST-forskarna fick nyligen såddpengar för att bygga ett större teleskop som kunde observera och kalibrera svagare, mer avlägsna stjärnor. Det skulle göra det möjligt för astronomer att överföra NIST-kalibreringen till avlägsna standardljus mer direkt. Att minska antalet språngbrädor mellan stjärnorna som observerats av NIST och de stjärnor som astronomerna studerar minskar kalibreringsfel. + Utforska vidare

Hittar rymdteleskopet James Webb de längst bort, äldsta, yngsta eller första galaxerna? En astronom förklarar