Néhány hónappal ezelőtt az univerzum legfényesebb objektumának, egy távoli kvazárnak a felfedezéséről számoltunk be a kutatást vezető ausztrál csillagász segítségével. De elkövettünk egy hibát: a cikk első bekezdésében azt írtuk, hogy az objektum 20 milliárd fényévre van tőlünk, csak azt már elfelejtettük megmagyarázni, hogy miként lehetséges ez egy 13,78 milliárd éves univerzumban. Ezt szeretnénk most korrigálni, miközben a Naprendszerünktől a legtávolabbi galaxisokig tartó utazásra indulunk, hogy megismerkedjünk a csillagászati távolságmérés rejtelmeivel.

„Nincs kozmikus méterrudunk” – mondja Szabó Róbert, a HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének vezetője. A csillagász szerint amikor csillagászati és kozmológiai távolságokról, valamint térről és időről beszélünk, el kell felejteni minden hétköznapi berögződést. Ha erre képesek vagyunk, azzal „Einstein nyomdokába lépünk”, akinek így sikerült a relativitáselmélet kidolgozása is.

Ahogy egyre messzebb tekintünk a Földtől, a kozmikus távolságok mérésére a csillagászok létrafokszerűen egymásra épülő módszereket használnak, mondja Szabó. A legközelebbi égitestek távolságát radarokkal, a Holdét az Apollo-űrhajósok és leszállóegységek által az égitest felszínén elhelyezett lézertükröknek köszönhetően lézerekkel különösen precízen meg lehet határozni, más naprendszerbeli égitestekhez pedig űrszondákat tudunk küldeni. De ha saját kozmikus környezetünkön túli objektumok távolságát akarjuk mérni, más módszerhez kell folyamodnunk.

Honnan tudjuk, hogy a Proxima Centauri a Naphoz legközelebbi csillag?

Ez a módszer a parallaxis mérés, amelynek során a csillagászok a Föld Nap körüli pályájának két átellenes pontján megmérik, hogy a kép hátterében elhelyezkedő, távoli csillagokhoz képest mennyit mozdult el egy közeli csillag, mondja a kutató. Ez ugyanazt az elvet veszi alapul, mint amivel az agyunk is megállapítja a környezetünkben lévő tárgyak és emberek tőlünk mért távolságát.

A technikát a legszemléletesebben az amerikai űrügynökség, a NASA Kuiper-öv külső vidékein barangoló New Horizons szondájának négy évvel ezelőtti képei mutatják be: a szonda a Naptól 7,1 milliárd kilométeres távolságból lefotózta a Proxima Centaurit és a Star Trek miatt ismertté vált Wolf 359 csillagot, amit aztán a kutatók összevetettek a Földről készült képekkel, és a kettő között a két közeli csillag látványosan elmozdul a háttérhez képest. Szabó szerint a parallaxis módszer nagy előnye, hogy „ez egy pusztán geometriai távolságmérés”, amihez semmilyen csillagászati modellfeltevésre nincs szükség. Ezt használja az európai űrügynökség, az ESA Gaia űrtávcsöve is, ami már majdnem 2 milliárd Tejútrendszerbeli csillag távolságát és térbeli pozícióját határozta meg hihetetlen pontossággal.

Sztenderd gyertyáink: pulzáló változócsillagok és az Ia típusú szupernóvák

De mi a helyzet akkor, ha messzebbre szeretnénk nézni a galaxisunkban, vagy meg akarjuk állapítani az Androméda-galaxis Tejútrendszertől mért távolságát? Ehhez a parallaxis módszer kevés lesz, mert nem lesz detektálható a szükséges elmozdulás, így újabb módszerekre van szükség. Ezek viszont, mint a csillagász elmondta, már fizikai modelleken és feltevéseken alapulnak, így bár megbízhatóak, van bennük némi bizonytalanság. A legkézenfekvőbb megoldás az, ha veszünk egy olyan objektumot, legyen az csillag, planetáris köd vagy akár galaxis, aminek pontosan ismerjük az úgynevezett abszolút fényességét (a csillag fényessége 32,6 fényév távolságból, ha azt semmilyen csillagközi gáz vagy por nem nyeli el), és azt összevetjük a látszó fényességével, vagyis azzal, amit itt a Földön meg tudunk figyelni. Ebből megkapjuk a pontos távolságát.

A lokális univerzumban ez a fényesség és távolság közötti összefüggés alapesetben úgy néz ki, hogy ha valami kétszer távolabb van tőlünk, akkor négyszer halványabb lesz, mondja a kutató. A parallaxis méréssel ellentétben itt már vannak olyan zavaró tényezők, mint a csillagközi gáz és porfelhők által okozott fényelnyelés, amit a számítások során figyelembe kell venni és ki kell küszöbölni. Mielőtt azonban idáig eljutnánk, ismerni kell az adott égitest abszolút fényességét. Ha egy csillagnak fel tudjuk venni a színképét, amiből kiderül, hogy milyen típusba tartozik, akkor a szakemberek jól kalibrált modellekkel meg tudják állapítani ennek értékét. A csillagászati távolságmérésben különösen fontos szerep jut egyes, standard gyertyaként használható változócsillag-fajtáknak, például az RR Lyrae- és cefeida-típusú csillagoknak, amik ritmikusan összehúzódnak, majd kitágulnak, miközben változik a fényességük.

Ennek a lüktetésnek, mint Szabó elmondta, karakterisztikus periódusa van, ami szorosan összefügg a csillag abszolút fényességével. Ezt Henrietta Swan Leavitt csillagász állapította meg az 1900-es évek elején, amikor a Tejútrendszert kísérő törpegalaxisokban, a Magellán-felhőkben figyelt meg cefeidákat. Amikor napjainkban a csillagászok ezeket a csillagokat vizsgálják, nem is igazán fényességük, hanem pulzációjuk periódus precíz és hosszú távú mérésére koncentrálnak, amiből a periódus–fényesség-relációk alapján megállapítható az abszolút fényességük, majd pedig távolságuk. A cefeidákkal már viszonylag messzi galaxisok távolsága is mérhető, de az, hogy mennyire ismerjük jól ezeknél a változócsillagoknál a periódus–fényesség-relációkat, a mai napig aktívan kutatott terület. Épp erről szólt az a tavalyi nemzetközi szimpózium, amit a Szabó által vezetett Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet szervezett Budapesten, és aminek Adam Riess Nobel-díjas asztrofizikus is a vendége volt – ő a Magyar Tudományos Akadémián tartott előadása után interjút is adott a Qubitnek.

A cefeida változók mellett az Ia-típusú szupernóvák azok, amikkel távolabbi galaxisokról is megállapítható, hogy milyen messze vannak tőlünk. Ezeknek a kozmikus robbanásoknak az abszolút fényességét kalibrálni tudják a szakemberek, mondja Szabó, de ez sem annyira egyszerű, mert ezek az Ia-típusú szupernóvák kétféleképpen is létrejöhetnek. Az egyik lehetőség az, hogy van egy fehér törpecsillag, ami elszipkázza egy másik csillag anyagát, majd egy bizonyos tömeghatár elérése után felrobban. Ennek az abszolút fényessége a fényességi maximum alapján jól kalibrálható – ezt használták ki Riess és kollégái 1998-as felfedezésükhöz, amikor Ia-típusú szupernóvák segítségével kiderítették, hogy az univerzum gyorsulva tágul. Előfordulhat viszont egy másik forgatókönyv is, amikor két fehér törpe összeolvadásából jön létre a szupernóva-robbanás; ezek az égitestek kicsit másképp viselkedhetnek, de jelenleg nem tudni pontosan, hogy ez mennyire gyakori.

link Forrás

Minél távolabb van egy messzi galaxis, annál vörösebb a fénye

A múlt század elején, amikor már elég nagy távcsöveket tudtak építeni, Edwin Hubble és más csillagászok távoli galaxisokat észleltek, és azt tapasztalták, hogy színképük szinte kivétel nélkül a hosszabb hullámhosszak felé tolódik el, meséli Szabó. Ezzel a Doppler-jelenségnek nevezett változással a mindennapokban is találkozhatunk a hanghullámok terén: a közeledő mentőautó szirénáját magasabb frekvencián halljuk, viszont miután elhalad mellettünk, mélyebbé válik a hangja. Csakhogy a mentőautók 50-100 kilométer per órás sebessége helyett a galaxisok tőlünk akár másodpercenként több ezer vagy több tízezer kilométeres sebességgel is távolodhatnak.

Amikor Hubble és kortársai felvették a távoli galaxisok színképét, több százmilliárd csillag összefésült spektrumát mérték, amiben meghatározott hullámhosszakon voltak jellegzetes abszorpciós vagy emissziós vonalak. Ezek egységesen a hosszabb hullámhosszak felé tolódtak el a hidrogén laboratóriumban kimérhető, referenciaként használt színképvonalaihoz képest, amiből az a következtetés adódott, hogy az egész galaxis távolodik tőlünk (modern berendezésekkel a távoli galaxisokat szektorokra lehet osztani, és egyesével meg lehet nézni a sebességüket, amivel vizsgálható a galaxisok forgása is). Hubble megfigyeléseiből kiderült, hogy a legtöbb galaxis távolodik tőlünk, és minél messzebb van, annál nagyobb a vöröseltolódása.

A z-vel jelölt kozmológiai vöröseltolódás értéke a távcsővel mért hullámhossz és a laboratóriumi referencia közötti relatív eltolódást fejezi ki, magyarázza Szabó. A lokális környezetünkben angströmnyi, vagy nanométeres különbségek lehetnek, míg egy z=1-es értékű vöröseltolódás már komoly mértékű, kétszeres hullámhossz- eltolódást jelent. Egy pont után, a legtávolabbi galaxisoknál pedig már akkora a hullámhosszváltozás, hogy azokat egy optikai, látható fényben mérő távcső már nem képes észlelni, csak egy infravörös teleszkóp – mint amilyen a James Webb űrtávcső is. Sokáig a z=5 vagy z=6-os galaxisok már elképesztően távolinak számítottak, de a 2021-ben felbocsátott teleszkóp már z=10-es vagy nagyobb vöröseltolódású galaxisokat is kimér. „Ez most már azt jelenti, hogy a kozmikus hajnalig visszamentünk az ősrobbanás utáni nagyon korai időszakra”, amikor az univerzum néhány százmillió éves volt, és már kialakultak az első galaxisok – mondja a kutató.

A kozmológiai távolságokon már nem alkalmazhatók a hétköznapi fogalmak

A kozmológusok, mondja Szabó, valójában már nem fényévekben vagy parsecben (egy parsec 3,26 fényévnek felel meg) mérik a távolságokat, hanem magát a z-t használják távolságegységként, mert az egy mérhető mennyiség, ami nem függ modellektől vagy az univerzumról alkotott feltételezésektől, például a kozmosz geometriájától. Kozmológiai távolságokon a kutató szerint már el kell szakadni a hétköznapi fogalmaktól, és könnyen előfordulhat, hogy a különböző módszerek, amik a lokális környezetünkben egybevágnak, nagy kozmológiai távolságokon már el fognak térni egymástól. A csillagászatban és a kozmológiában több távolságdefiníciót is alkalmaznak. Ezek közül a legfontosabbak:

• Látószögátmérő-távolság (angular diameter distance, D_A): ha egy adott átmérőjű labdát távolabb viszek, akkor a konstans mérete alapján egyszerű trigonometriával meg tudom mondani, hogy milyen messzire került tőlem. Ez az elv működik a csillagászatban is, de kozmikus távolságokon, magyarázta a kutató, már nagyon bonyolult, hogy ez a távolság érték miként függ a vöröseltolódás értékétől. Paradox módon egy idő után az egyre távolabbi objektumok nem kisebbnek, hanem nagyobbnak látszanak a gravitációs lencsehatás miatt – lényegében az univerzumot kitöltő anyag és sötét anyag felnagyítja az extrém messzi objektumok képét.
• A sajáttávolság (proper distance, D_P) azt az utat adja meg, amit a távoli objektumtól hozzánk elindult foton megtett. Ez Szabó szerint közel áll ahhoz, mintha egy mérőszalagot húznánk ki köztünk és az objektum között. Ennek a sajáttávolságnak az értéke jelenleg megegyezik az úgynevezett együttmozgó-távolsággal (comoving distance, D_M).
• Luminozitástávolság (luminosity distance, L_D): ebben az esetben az objektum ismert, abszolút fényességét vetik össze a látszólagos fényességével, ami a korábbiaktól eltérő módon függ a vöröseltolódás értékétől.
• Visszatekintési időből származó távolság (light travel time): itt azt számolják ki, hogy egy adott z értékű objektumtól milyen régen kellett elindulnia egy fotonnak, hogy elérjen hozzánk.

Vegyünk egy konkrét példát, a James Webb űrtávcső által májusban felfedezett, JADES-GS-z14-0 kódjelű galaxist. Ennek spektroszkópiailag megerősített vöröseltolódás-értéke z=14,32, ami a valaha mért legnagyobb érték. Ha ezt az értéket betápláljuk az Edward Wright, a UCLA professzora által készített kalkulátorba, és vesszük az alapértékeket, valamint egy sík (flat) univerzumot, azt kapjuk, hogy a galaxisból a fény 13,43 milliárd éve utazik felénk, ami megfelel a visszatekintési időből származó távolságnak. A legtávolabbi és legkorábbi ismert galaxist így abban az állapotában látjuk, amikor a 13,72 milliárd éves univerzum mindössze 290 millió éves volt. A kalkulátor szerint a galaxis látószögátmérő-távolsága 2,21 milliárd fényév, sajátmozgás-távolsága 33,89 milliárd fényév, luminozitástávolsága pedig 519.33 milliárd fényév.

Igen, az univerzum tágulhat a fénysebességnél gyorsabban is

De ha 13,8 milliárd éves az univerzum, miért nem ennek készerese az átmérője, és egyáltalán, hogy lehet bármi 13,8 milliárd fényévnél távolabb?

Ha a legtávolabbi égitest maximum 13,8 milliárd fényévre lenne tőlünk, magyarázza Szabó, akkor azt kellene feltételeznünk, hogy mi, a megfigyelő és az objektum nem mozogtunk egymáshoz képest, és a fényt sem befolyásolta útközben a téridő szerkezetének változása. Ehelyett az történt, hogy közben az egész univerzum tágult, tehát amikor például 13,4 milliárd évvel ezelőtt elindult egy galaxisból egy foton, amit rögzít a James Webb, közben a tágulás miatt megnőtt a távolság, amit a fénynek át kell szelnie.

Minél távolabb nézünk, annál gyorsabban tágul az univerzum, és ennek a tágulásnak a sebessége meghaladhatja a fény sebességét is (vákuumban 300 000 kilométer per szekundum), anélkül, hogy az ellentmondana Einstein speciális relativitáselméletének, mondja Szabó. Ahhoz, hogy ezt megértsük, képzeljünk el egy lufit, amin kis hangyák mászkálnak. Ezeknek a saját sebessége, amikkel egymáshoz közeledhetnek vagy távolodhatnak, nem lépheti túl a fénysebességet, viszont a lufi két ellentétes oldalán mászkáló hangyák már a lufi tágulási sebességével távolodnak egymástól. Ez a tér tágulási sebessége, aminek üteme meghaladhatja a fénysebességet.

link Forrás

Az általunk belátható univerzum valószínűleg jelentősen kisebb, mint az, ami valójában az ősrobbanás után kialakult, mondja a csillagász. Ez azt jelenti, hogy vannak olyan részei, amik a világegyetem 13,8 milliárd éves kora miatt kicsúsznak a megfigyelhető tartományából, mert eddig csak ennyi idő volt arra, hogy az objektumokból hozzánk érjen a fény. Szabó szerint a teljes univerzum skálájára 80-100 milliárd fényévet szokás emlegetni, amely térrészt több mint százmilliárd galaxis tölti ki, köztük a Tejútrendszerünk. Az univerzum, mint Riess és munkatársai kimutatták, gyorsulva tágul, így valószínű (de nem garantált), hogy a távoli jövőben, sok százmilliárd év múlva egyre kevesebb Tejútrendszeren kívüli objektum lesz majd megfigyelhető, ahogy azok sorra eltűnnek a látóterünkből.

A legősibb galaxisok az univerzum hajnaláról mesélnek

Amikor a csillagászok több milliárd fényéves távolságokra tekintenek vissza, akkor Szabó szerint azt szokták rájuk mondani, hogy valójában időutazók – mivel a fény sebessége véges, így időre van szükség, amíg az a műszerükbe ér, vagyis ha visszanéznek a térben, azzal együtt az időben is utaznak. Ez persze nem azt jelenti, hogy ha egy közeli csillagot kémlelünk az égbolton, az már nem is létezik, mivel ilyen tejútrendszerbeli égitesteknél 100 és 1000 fényévekről beszélünk, és a csillagok milliárd évekig élnek, amikhez képest a mi életünk csak egy szempillantás.

Ha viszont kellően nagy távolságra nézünk vissza, a maihoz képest nagyon más állapotban lévő objektumokat találunk. „Ezért építettük például a James Webbet” – mondja Szabó. Miközben a Hubble űrtávcsővel a csillagászok óvodás korukban tudják megfigyelni a galaxisokat, a James Webbel még messzebb visszamehetnek az időben, és bölcsődés korukban látják őket. A csillagász szerint az infravörös űrteleszkóp megfigyelései alapján az első galaxisok és azok első csillagpopulációi meglepően gyorsan kialakultak. „Ezt sokan nem is gondoltuk volna” – mondja Szabó, aki ezért tartja fontosnak, hogy ne csak elméleteink legyenek arról, hogy miként megy végbe a galaxisok vagy az első csillagpopulációk keletkezése, hanem ténylegesen meg is figyeljük ezeket az eseményeket.