En ny titt på röda jättestjärnor ger viktiga insikter om kosmiska avståndsmätningar och ett sätt att mäta universums expansion med högsta noggrannhet.
I ett ständigt expanderande universum är att mäta kosmiska avstånd som att försöka hitta en pålitlig linjal i ett stort, ständigt sträckande tyg. Ett verktyg som astrofysiker använder är Hubble-konstanten, (H0 ), som mäter hur snabbt universum expanderar och anger universums ålder och observerbara storlek.
Det råder dock oenighet om värdet på H0 , på grund av motstridiga mätningar härledda från olika himlaobjekt. Debatten gör att vår förståelse av universums grundläggande fysik är ofullständig. Insatserna är höga och nyckeln till att hitta en upplösning är att avsevärt förbättra noggrannheten i avståndsmätningar baserade på stjärnor.
Nu, en studie publicerad i The Astrophysical Journal Letters av EPFL-professorn Richard I. Anderson, tidigare EPFL-student sommarforskare Nolan Koblischke (nu vid University of Toronto) och Laurent Eyer (University of Geneva) förfinar kosmiska avståndsmätningar med hjälp av ljudsignalerna från röda jättar. "Vi upptäckte att de akustiska svängningarna hos röda jättestjärnor talar om för oss hur vi bäst mäter kosmiska avstånd med metoden "topp på den röda jättegrenen", säger Anderson.
Låt oss förklara några termer. "Röda jättar" är åldrande stjärnor. De antar en rödaktig nyans när de släpper ut väte i sina kärnor och använder yttre väte, vilket gör dem större och svalare.
På astronomiska diagram leder denna utveckling till en "röd jättegren", en avvikelse på grund av stjärnans ökade ljusstyrka. Spetsen på den röda jättegrenen (TRGB) är en kritisk punkt där dessa stjärnor antänder helium och vänder ljusstyrkan.
TRGB, markerad med färre ljusare stjärnor ovanför sig i diagrammet, fungerar som ett "standardljus" för kosmiska avståndsmätningar:Genom att jämföra dess kända ljusstyrka med dess observerade ljusstyrka i avlägsna galaxer, kan astronomer beräkna avstånd, ungefär som att uppskatta en glödlampas avstånd genom dess ljusstyrka.
Forskarna analyserade data från Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) och ESA Gaia-uppdraget för att granska röda jättar i Large Magellanic Cloud (LMC), som är en närliggande följeslagargalax som kretsar runt Vintergatan och fungerar som ett avgörande laboratorium för förståelse stjärnornas fysik.
I en överraskande vändning fann forskarna att alla stjärnor vid TRGB faktiskt varierar i ljusstyrka periodvis; ljudvågor färdas genom stjärnorna som jordbävningar på jorden och får dem att svänga. Även om dessa svängningar tidigare var kända, missade man deras betydelse för avståndsmätningar. Men nu tillät de forskarna att särskilja stjärnor efter ålder, och erbjöd en mer nyanserad metod för att mäta avstånd över universum.
Anderson förklarar, "Yngre röda jättestjärnor nära TRGB är lite mindre ljusa än sina äldre kusiner, och de akustiska svängningar som vi observerar när ljusstyrkan fluktuerar gör att vi kan förstå vilken typ av stjärna vi har att göra med:de äldre stjärnorna svänger kl. lägre frekvens – precis som en baryton sjunger med en djupare röst än en tenor."
Denna distinktion är avgörande för att säkerställa mycket exakta avståndsmätningar som krävs för kosmologi och för att få den bästa kartan över lokaluniversumet, eftersom röda jättestjärnor finns i praktiskt taget alla galaxer.
Studien identifierar också flera förbättringar av TRGB-distansmetoden som är väsentliga för att förstå de senaste debatterna om Hubbles konstanta spänning. "Nu när vi kan urskilja åldrarna på de röda jättarna som utgör TRGB, kommer vi att kunna förbättra Hubbles konstantmätning baserat på dem ytterligare", säger Anderson.
"Sådana förbättringar kommer ytterligare att sätta Hubbles konstanta spänning på prov och kan leda till banbrytande nya insikter i de grundläggande fysiska processerna som avgör hur universum utvecklas."
Mer information: Richard I. Anderson et al, Red Giants med liten amplitud förklarar naturen av spetsen på den röda jättegrenen som ett standardljus, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad284d
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
