Med hjälp av en sällsynt typ av jätte Cepheid-variabla stjärnor som kosmiska milemarkare har astronomer hittat ett sätt att mäta avstånd till objekt tre gånger längre bort i rymden än tidigare möjligt. Men astronomer har hittat ett sätt att använda "ultra long period" (ULP) Cepheid-variabler som fyr för att mäta avstånd upp till 300 miljoner ljusår och senare.
Klassiska cepheider är ljusa, men bortom 100 miljoner ljusår från jorden försvinner deras signal bland andra ljusa stjärnor, säger Jonathan Bird, doktorand i astronomi vid Ohio State, som diskuterade sina resultat på American Astronomical Society-konferensen på måndag.
Men ULP: er är en sällsynt och extra ljus klass av Cepheid, som pulsar mycket långsamt.
Astronomer har också länge tänkt att ULP-cepider inte utvecklas på samma sätt som andra cepheider. I denna studie fann astronomer emellertid det första beviset på att en ULP-cepheid utvecklades på samma sätt som en klassisk Cepheid.
Det finns flera metoder för att beräkna avståndet till stjärnor, och astronomer måste ofta kombinera metoder för att indirekt mäta ett avstånd. Den vanliga analogin är en stege, med varje ny metod en högre ring över en annan. Vid varje ny ring av den kosmiska avståndsstegen, läggs felen samman, vilket minskar precisionen för den totala mätningen. Så varje enskild metod som kan hoppa över stegen är ett uppskattat verktyg för att undersöka universum.
Krzysztof Stanek, professor i astronomi vid Ohio State, använde en direkt mätningsteknik 2006, då han använde ljuset som kom ut från ett binärstjärnsystem i galaxen M33 för att mäta avståndet till den galaxen för första gången. M33 är 3 miljoner ljusår från jorden.
Denna nya teknik med ULP-cepheider är annorlunda. Det är en indirekt metod, men den första studien antyder att metoden skulle fungera för galaxer som är mycket längre bort än M33.
”Vi fann att cepheider med extremt lång period var en potentiellt kraftfull avståndsindikator. Vi tror att de kan tillhandahålla de första direkta stjärna avståndsmätningarna till galaxer i intervallet 50-100 megaparsek (150 miljoner - 326 miljoner ljusår) och långt bortom det, ”sa Stanek.
Eftersom forskare i allmänhet inte noterar extrem långvarig cepheid, finns det få av dem i astronomiska poster. För denna studie avslöjade doktoranden Stanek, Bird och Ohio State Jose Prieto 18 ULP-cepider från litteraturen.
Var och en låg i en närliggande galax, till exempel det lilla magellanska molnet. Avståndet till dessa närliggande galaxer är välkända, så astronomerna använde den kunskapen för att kalibrera avståndet till ULP-cepiderna.
De fann att de kunde använda ULP-cepheider för att bestämma avståndet med ett 10-20 procent-fel - en typ som är typisk för andra metoder som utgör den kosmiska avståndsstegen.
"Vi hoppas kunna minska det felet eftersom fler människor noterar ULP-cepheider i sina stjärnundersökningar," sa Bird. "Vad vi hittills har visat är att metoden fungerar i princip och resultaten är uppmuntrande."
Bird förklarade varför astronomer har ignorerat ULP-cepider tidigare.
Cepheider med korta perioder, de som ljusnar och dimas med några få dagar, gör bra distansmarkörer i rymden eftersom deras period är direkt relaterad till deras ljusstyrka - och astronomer kan använda den ljusstyrkainformationen för att beräkna avståndet. Polaris, North Star, är en välkänd och klassisk cepheid.
Men astronomer har alltid tänkt att ULP-cepheider, som lyser och försvagas under några månader eller längre, inte följer denna relation. De är större och ljusare än den typiska cepheid. De är faktiskt större och ljusare än de flesta stjärnor; i denna studie, till exempel, varierade de 18 ULP-cepheiderna i storlek 12-20 gånger massan av vår sol.
Ljusstyrkan gör dem bra distansmarkörer, sa Stanek. Typiska cepheider är svårare att upptäcka i avlägsna galaxer, eftersom deras ljus smälter in i andra stjärnor. ULP-cepheider är tillräckligt ljusa för att sticker ut.
Astronomer har också länge misstänkt att ULP-cepider inte utvecklas på samma sätt som andra cepheider. I denna studie fann emellertid Ohio State-teamet det första beviset på att en ULP-cepheid utvecklas som en mer klassisk cepheid gör.
En klassisk cepheid kommer att bli varmare och svalare många gånger under sin livstid. Däremellan blir de yttre lagren av stjärnan instabila, vilket orsakar förändringar i ljusstyrka. ULP-cepheider tros gå igenom denna period av instabilitet endast en gång och gå i en enda riktning - från hetare till svalare.
Men när astronomerna samlade data från olika delar av litteraturen för denna studie, upptäckte de att en av ULP-cepheiderna - en stjärna i Small Magellanic Cloud som kallas HV829 - tydligt rör sig i motsatt riktning.
För fyrtio år sedan pulserade HV829 var 87,6 dagar. Nu pulserar det var 84,4 dag. Två andra mätningar som finns i litteraturen bekräftar att perioden har krympt stadigt under årtiondena däremellan, vilket indikerar att själva stjärnan krymper och blir varmare.
Astronomerna drog slutsatsen att ULP-cepider kan hjälpa astronomer att inte bara mäta universum utan också lära sig mer om hur mycket massiva stjärnor utvecklas.
Några av dessa resultat rapporterades i Astrophysical Journal i april 2009. Sedan det papper skrevs, har Ohio State astronomer börjat använda Large Binocular Telescope i Tucson, Arizona för att leta efter fler ULP-cepheider. Stanek säger att de har hittat några bra kandidater i galaxen M81, men dessa resultat har ännu inte bekräftats.
Källor: AAS, Ohio State University
