Sam Phan Bok/Guliver/Getty Images

Cum măsurăm distanța până la galaxii?

De Mindcraft Stories 21.08.2020

Să afli distanța exactă până la galaxii îndepărtate nu e un lucru simplu. Astrofizicianul Hélene Courtois a făcut însă asta și a explicat descoperirile ei în cartea „Călătorie pe valuri de galaxii. Laniakea, noua noastră adresă în Univers“ apărută recent la editura Humanitas.

Hélene Courtois s-a folosit de cele mai mari telescoape din lume, a măsurat lumina a mii de galaxii, a determinat distanțele până la ele și efectele lor gravitaționale. Prelucrarea și analiza datelor au condus în cele din urmă la o imagine tridimensională a super-roiului de galaxii din care face parte Calea Lactee, un continent extragalactic întins pe 500 de milioane de ani-lumină, numit Laniakea.

Călătorie pe valuri de galaxii. Laniakea, noua noastră adresă în Univers este o fascinantă introducere în astronomie adresată publicului larg. Publicăm mai jos un fragment din această carte.

Primele măsurători de distanţă

Metoda triangulaţiei – prin folosirea a două telescoape foarte îndepărtate pe Pământ – a fost aplicată cu succes în 1672 de către Giovanni Domenico Cassini (1625–1712) şi Jean Richer (1630–1696) pentru a determina îndepărtarea faţă de planeta Marte, observându-se simultan poziţia planetei roşii pe fondul fix înstelat din două locuri diferite ale planetei: Observatorul din Paris (măsurătoarea lui Cassini) şi cel din Cayenne (măsurătoarea lui Richer). Cu toate acestea, ceea ce e posibil în cazul lui Marte, planetă apropiată de Pământ, devine irealizabil dacă se doreşte măsurarea distanţei noastre faţă de aştri mai îndepărtaţi, precum stelele. Distanţa dintre două telescoape amplasate pe Pământ, chiar şi în locuri diametral opuse, nu va fi astfel niciodată îndeajuns de mare, în raport cu îndepărtarea faţă de stea, pentru a se spera sesizarea unei diferenţe între cele două puncte de vedere. În 1838, germanul Friedrich Bessel găseşte un subterfugiu pentru a separa îndeajuns cele două telescoape. E suficient să laşi Pământul să se deplaseze! A reperat o stea din constelaţia Lebăda, aflată la o distanţă de 11 ani-lumină de Pământ (Bessel nu cunoştea această distanţă înainte de a face experimentul!), apoi a aşteptat şase luni, pentru ca Pământul să fi parcurs jumătate din mişcarea sa de revoluţie anuală în jurul Soarelui. A reperat iarăşi steaua, care s-a deplasat pe fondul fix constituit din stele mult mai îndepărtate. A comparat cele două puncte de vedere cu măsurători de unghiuri adaptate şi gata! Toate acestea, cu un singur telescop! Acesta este evenimentul care a marcat apariţia metodei paralaxei anuale. E suficientă o doză bună de răbdare şi de minuţiozitate, deoarece distanţa care separă cele două poziţii de observaţie, egală cu 300 de milioane de kilometri (dublul distanţei Pământ–Soare, unitatea astronomică UA), rămâne încă de un milion de ori mai mică decât distanţa dintre Pământ şi stea: unghiul ce va permite calcularea distanţei nu măsoară nici măcar a mia parte dintr-un grad.

Încă mai folosim în prezent metoda paralaxei, dar aceasta se limitează la stelele apropiate. S-a putut determina astfel distanţa a câteva mii de stele doar cu ajutorul telescoapelor terestre. În anii 1990, numărul distanţelor cunoscute a explodat datorită măsurătorilor efectuate de satelitul Hipparcos lansat de ESA (European Space Agency) în 1989, care depăşea în felul acesta problema perturbărilor atmosferice: mai mult de o sută de mii de stele au fost măsurate cu o foarte bună precizie. Un nou program, încă şi mai performant, numit Gaia, este în curs. Însă toate acestea nu reprezintă decât o proporţie infimă, dacă ne raportăm la sutele de miliarde de stele ale galaxiei noastre! Încă şi mai rău, nu se poate spera să se măsoare distanţele extragalactice cu ajutorul metodei paralaxei. Cum s-a procedat, atunci, pentru a se şti că anumite corpuri luminoase sunt atât de îndepărtate că nici măcar nu aparţin galaxiei noastre?

Marea dezbatere

Ideea că anumite obiecte cereşti ar fi situate în exteriorul Căii Lactee a fost emisă la mijlocul secolului al XVIII-lea, în special de către savantul britanic Thomas Wright şi de filozoful german Immanuel Kant. Cei doi argumentau astfel la acea vreme: cu ajutorul lunetelor astronomice pot fi observate „nebuloase“ a căror formă eliptică sugerează faptul că e vorba despre grupuri de stele similare celui căruia îi aparţine Soarele. Kant introduce astfel conceptul de „universuri insulare“. Precum în vremea în care Copernic şi Galilei evocaseră existenţa unui sistem heliocentric, mai degrabă decât geocentric, posibilitatea ca galaxia noastră să poată fi asemănătoare cu multe altele reprezintă un salt conceptual pe care contemporanii lui Kant au ezitat să-l facă. În rândul partizanilor teoriei lui Kant se numără astronomii germano-britanici Caroline şi William Herschel. Frate şi soră, aceştia au lucrat la trasarea primelor cartografii ale Căii Lactee. Provocare la care au răspuns de altfel cu dificultate, situând Soarele spre centrul galaxiei. Nu-i putem învinovăţi, deoarece a cartografia o privire de ansamblu a galaxiei noastre ar fi ca şi cum am dori să ne facem autoportretul fără să ne fi zărit niciodată reflexia în oglindă şi fără să ne fi apropiat vreodată de unul dintre semenii noştri. Dacă dispunem astăzi de o multitudine de fotografii superbe ale galaxiilor, uneori foarte îndepărtate de noi, nu avem decât „reprezentări artistice“ ale Căii noastre Lactee. Încă nu am ajuns într-acolo încât să dispunem de o imagine reală a ei. Pentru aceasta, ar trebui să fie trimis un fotograf la sute de mii de ani-lumină! Dacă William Herschel nu a realizat reproducerea cea mai fidelă a galaxiei noastre, era totuşi un observator ieşit din comun, care a descoperit mai cu seamă planeta Uranus, în 1781. Va repertoria de altfel mai mult de 2.400 de nebuloase. Când, într-un final, a reuşit să străpungă pânza uneia dintre ele, sperând să vadă acolo mii de stele, nu a numărat până la urmă decât una singură (o nebuloasă planetară, o stea cu masă redusă, aflată la sfârşitul vieţii): a tras de aici concluzia că nebuloasele nu sunt universuri insulare, iar subiectul a rămas la acest stadiu pentru un timp.

Controversa ştiinţifică a atins paroxismul într-o zi de aprilie a anului 1920, când doi americani s-au întâlnit pentru o dezbatere importantă asupra problemei, în mijlocul unei mulţimi de sute de oameni de ştiinţă. Partizanul unui Univers limitat la foarte marea şi unica noastră galaxie se numea Harlow Shapley, director al Observatorului Mont Wilson. Adversarul său, Heber Curtis, membru al Observatorului Lick, situat de asemenea în California, susţinea teza universurilor insulare. Astăzi ştim că Shapley se înşela, însă munca sa de investigaţie asupra acestui subiect a permis realizarea unor progrese decisive, atât în ceea ce priveşte metoda, cât şi rezultatele. De fapt, el avea să calibreze relaţia perioadă–luminozitate a cefeidelor, de care s-a folosit pentru a determina distanţa roiurilor de stele din galaxia noastră. A putut în felul acesta să-i precizeze natura; astfel, el este cel care a „plasat“ Soarele la periferia Căii noastre Lactee.

Luminozitatea absolută, cheia de boltă pentru determinarea unei distanţe

Ce înseamnă de fapt „a calibra relaţia perioadă–luminozitate a cefeidelor“? Cefeidele sunt stele gigantice aflate la sfârşitul vieţii. Au particularitatea de a produce o strălucire care variază pe parcurs, ușor şi cu regularitate, din cauza faptului că îşi vor fi epuizat în curând rezerva de „carburant“ nuclear. Timpul unui ciclu (numit şi perioadă) variază de la o stea la alta, de la câteva zile la câteva luni. Sunt numite cefeide, deoarece o stea de acest tip se află în constelaţia Cefeu. Dar ar fi putut fi denumite altfel… De altminteri, la început erau numite stele variabile; Steaua Polară este un asemenea exemplu. Relaţia perioadă–luminozitate traduce faptul că luminozitatea stelei creşte odată cu perioada: când o cefeidă străluceşte mai mult decât o alta, ea „clipeşte“ mai lent. Henriettei Leavitt i se datorează constatarea acestui fenomen ce rămâne o placă turnantă majoră în încercarea de a estima profunzimea cerului. Începând cu 1907, Leavitt a scrutat nenumărate plăci fotografice ale Micului Nor al lui Magellan. Norii lui Magellan, Mic şi Mare, sunt mici galaxii-satelit ale Căii Lactee ce pot fi observate cu ochiul liber doar în emisfera sudică şi care au fost repertoriate de navigatorul Magellan în timp ce făcea înconjurul lumii la începutul secolului al XVI-lea. Acum o sută de ani, în vremea lui Leavitt, nu se cunoştea faptul că Norii lui Magellan sunt situaţi în afara galaxiei noastre. Henrietta Leavitt a constatat relaţia dintre perioada şi strălucirea aparentă a cefeidelor situate în Norul cel Mic al lui Magellan. Iar Shapley a adăugat o piatră edificiului prin măsurarea perioadei unei cefeide a cărei distanţă o cunoştea prin intermediul unei alte metode. A putut să determine luminozitatea absolută a acestei stele. Pe baza cercetării lui Leavitt, a dedus relaţia dintre perioadă şi luminozitatea absolută: se spune că Shapley a „calibrat“ această relaţie.

Această metodă este utilizată încă în prezent doar pentru determinarea distanţei galaxiilor apropiate de noi. Într-adevăr, stelele variabile sunt rare şi nu foarte puternice. Metoda constă în reperarea unei cefeide dintr-o galaxie, în măsurarea perioadei sale de pulsaţie şi în deducerea luminozităţii sale absolute (puterea sa luminoasă, în waţi), datorită relaţiei perioadă–luminozitate. Luminozitatea absolută este comparată cu strălucirea aparentă a stelei (fluxul de lumină, în waţi pe metru pătrat, receptat pe Pământ) pentru a se obţine distanţa faţă de galaxie. În anii 1920, la Observatorul Mont Wilson, Edwin Hubble, înarmat cu cel mai mare telescop de la acea vreme, utilizează această metodă pentru prima dată în scopul de a determina distanţa faţă de „nebuloasele extragalactice“: după cum a presupus Kant cu două secole mai înainte, există multe alte „universuri insulare“. Marea aventură a cosmologiei poate în sfârşit să înceapă. Ceva mai târziu, Hubble obţine alte rezultate foarte importante. Descoperă mai ales o relaţie simplă care ne permite estimarea distanţelor faţă de galaxiile îndepărtate, graţie mişcării acestora, metodă care este utilizată mult în ziua de azi. Am să vă vorbesc însă despre acest lucru mai târziu, deoarece este timpul să intru eu însămi în scenă.


Fragment din cartea Călătorie pe valuri de galaxii. Laniakea, noua noastră adresă în Univers de Hélène Courtois, apărută la Editura Humanitas.29 lei, libhumanitas.ro
Prefaţă de Françoise Combes, membră a Academiei Franceze de Ştiinţe.
Traducere de Dan Daia.
Premiul „Ciel & Espace“ pentru carte de astronomie / Premiul „Eureka“ pentru comunicare științifică

ȘTIINȚĂ|SCI-FACTS

6 câștigători ai Nobelului care au căzut în capcana pseudoștiinței

De Radu Călin Crahmaliuc 16/10/2020
Ne-am obișnuit să credem că persoanele cele mai vulnerabile la conspirații, vrăjitorii, misticism, superstiții și alte fake-news-uri sunt în general persoanele fără educație. Totuși, așa cum ne dovedesc exemplele următoare, pseudoștiința e o boala grea, care lovește chiar și la case mai mari, de laureați Nobel.
ȘTIINȚĂ|SCIENCE OF FOOD

De ce e pâinea cu maia diferită?

De Viviana Mârza 06/10/2020
Pâinea cu maia e considerată mai bună ca pâinea „obișnuită”. Există o explicație. Fiindcă durează mai mult să o faci, fermentarea e mai intensă și rezultatul final e diferit.
ȘTIINȚĂ|STUDIU

Stephen Wolfram și teoria întregului: un univers din hipergrafuri

De Victor Macry 01/10/2020
Anul acesta, Stephen Wolfram a publicat ceea ce el descrie ca un posibil model pentru o nouă teorie fundamentală a fizicii. Aveam nevoie de o nouă „theory of everything”? Și, mai ales, e ceva de capul ei?
ȘTIINȚĂ|STUDIU

De ce "Viață pe Venus" e o exagerare

De Mihai Ghiduc 15/09/2020
„Fosfină pe Venus” ar suna plicticos. Avem nevoie de dovezi mult mai clare ca să clamăm că există viață pe planeta cea mai apropiată dinspre Soare