Ein neuer Blick auf die Roten Riesen liefert Schlüsselinformationen über kosmische Entfernungsmessungen und ermöglicht es, die Expansion des Universums mit höchster Genauigkeit zu messen.
In einem sich ständig ausdehnenden Universum ist die Messung kosmischer Entfernungen vergleichbar mit dem Versuch, ein zuverlässiges Lineal zu finden, mit dem man ein großes, dehnbares Tuch messen kann. Eines der von Astrophysikern und Astrophysikerinnen verwendeten Werkzeuge ist die Hubble-Konstante (H0). Diese misst die Expansionsgeschwindigkeit des Universums und definiert sein Alter und seine beobachtbare Größe.
Es herrscht jedoch Uneinigkeit über den Wert von H0, was auf widersprüchliche Messungen von verschiedenen Himmelsobjekten zurückzuführen ist. Dies offenbart, dass unser Verständnis der grundlegenden Physik des Universums unvollständig ist. Es steht viel auf dem Spiel und der Schlüssel zur Lösung liegt darin, die Genauigkeit von Entfernungsmessungen auf der Grundlage von Sternen erheblich zu verbessern.
Eine kürzlich durchgeführte Studie von Richard I. Anderson (Professor an der EPFL), Nolan Koblischke (ehemaliger Sommerpraktikant in der Grundstudiumsforschung an der EPFL, jetzt an der Universität Toronto) und Laurent Eyer (Universität Genf) ermöglicht es, die Messungen der kosmischen Entfernung durch die Nutzung der von Roten Riesen ausgesandten Schallsignale zu verfeinern: "Wir haben herausgefunden, dass die akustischen Vibrationen der Roten Riesen uns zeigen, wie wir die kosmischen Entfernungen am besten mit der TRGB-Methode (Tip of the Red Giant Branch) messen können", sagt Richard I. Anderson. Anderson.
Messung kosmischer Entfernungen mit Roten Riesen
Erklären wir einige Begriffe. Rote Riesen" sind alternde Sterne. Sie nehmen eine rötliche Färbung an, wenn sie den Wasserstoff in ihrem Kern verbrauchen und Wasserstoff von außen nutzen, was ihr Volumen vergrößert und sie kälter macht.
In astronomischen Diagrammen führt diese Entwicklung zum "Rote-Riesen-Zweig" oder zur Abweichung aufgrund der zunehmenden Helligkeit des Sterns. Der Gipfel des Roten Riesenastes, oder TRGB, ist ein kritischer Punkt, an dem diese Sterne Helium verbrennen und so die Entwicklung ihrer Helligkeit umkehren.
Das TRGB, über dem im Diagramm weniger helle Sterne zu sehen sind, dient als "Standardkerze" für kosmische Entfernungsmessungen: Indem Astronomen seine bekannte Helligkeit mit seiner in fernen Galaxien beobachteten Helligkeit vergleichen, können sie die Entfernung berechnen, ähnlich wie man die Entfernung einer Glühbirne anhand ihrer Helligkeit abschätzt.
Ein Gesang in der Dunkelheit
Die Forscherinnen und Forscher analysierten Daten des Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) und der ESA-Mission Gaia, um die Roten Riesen in der Großen Magellanschen Wolke (GNM) zu untersuchen, einer Nachbargalaxie, die die Milchstraße umkreist und als Laboratorium zum Verständnis der Sternenphysik dient.
Überraschenderweise fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Helligkeit aller Sterne im TRGB periodisch schwankt: Schallwellen bewegen sich wie Erdbeben durch die Sterne und versetzen sie in Schwingungen. Obwohl diese Vibrationen bereits bekannt waren, wurde ihre Bedeutung für die Entfernungsmessung bisher nicht berücksichtigt. Jetzt aber ermöglichen sie es Forschern, Sterne nach ihrem Alter zu unterscheiden, was einen differenzierteren Ansatz zur Entfernungsmessung im Universum ermöglicht.
Richard I. Anderson erklärt: "Jüngere Rote Riesen, die sich in der Nähe des TRGB befinden, sind etwas weniger hell als ihre älteren Verwandten. Ältere Sterne schwingen mit einer niedrigeren Frequenz, so wie ein Bariton eine tiefere Stimme hat als ein Tenor.
Diese Unterscheidung ist entscheidend, um sehr genaue Entfernungsmessungen zu gewährleisten, die in der Kosmologie benötigt werden, und um die beste Karte des lokalen Universums zu erhalten, da Rote Riesen in praktisch allen Galaxien vorkommen.
Die Studie identifiziert auch mehrere Verbesserungen der TRGB-Methode, die unerlässlich sind, um die jüngsten Debatten über die Spannung der Hubble-Konstante zu verstehen. "Jetzt, da wir das Alter der Roten Riesen, aus denen das TRGB besteht, unterscheiden können, können wir die daraus resultierende Messung der Hubble-Konstante verbessern", sagt Richard I. Anderson. Diese Verbesserungen werden die Spannung der Hubble-Konstante auf den Prüfstand stellen und könnten zu neuen Erkenntnissen über die grundlegenden physikalischen Prozesse führen, die die Entwicklung des Universums bestimmen."
Referenzen
Richard I. Anderson, Nolan W. Koblischke, Laurent Eyer. Small-amplitude Red Giants elucidate the nature of the Tip of the Red Giant Branch as a standard candle. The Astrophysical Journal Letters 963 (2), L43 (07 March 2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad284d
