Képzeljük el, hogy egy hatalmas, sötét, ám csillogó vászon előtt állunk, amelyen apró fényfoltok – galaxisok, csillagok – úsznak el. Ez a vászon folyamatosan tágul, és mi igyekszünk megfejteni ennek a kozmikus terjeszkedésnek a sebességét, miközben alig látunk valamit a távoli sarkokban. Ehhez a csillagászoknak szükségük van valamilyen megbízható mérőeszközre, egy kozmikus vonalzóra, amelynek segítségével képesek meghatározni a távolságokat az űrben. Itt jönnek képbe a „standard gyertyák”, melyek nem mások, mint távoli fénypontok, amelyekről tudjuk, milyen fényesek valójában, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak tőlünk. Különösen két égi jelenség, a Ia típusú szupernóvák és a célváltozó csillagok váltak a modern kozmológia legfontosabb eszközeivé, melyek segítségével nemcsak a világegyetem tágulásának ütemét ismerhetjük meg, hanem a sötét energia rejtélyébe is betekintést nyerhetünk.
A kozmikus távolságmérés kihívásai
Az emberiség ősidők óta csodálja az éjszakai égboltot, és vágyik arra, hogy megértse a kozmosz szerkezetét. Azonban a galaxisok, csillaghalmazok és az egyedi csillagok hatalmas távolságai óriási kihívást jelentenek. Hogyan mérhetjük meg valamit, ami olyan messze van, hogy a fénye évmilliókig utazik hozzánk? Egy hagyományos mérőszalag egyszerűen nem elegendő. Szükségünk van egy olyan módszerre, amely a távolságot a látszólagos fényerő és az ismert abszolút fényerő közötti összefüggés alapján határozza meg. Ezt a módszert hívják a standard gyertyák alkalmazásának. Képzeljük el, hogy egy 25 wattos izzót nézünk egy szobában. Tudjuk, milyen fényes valójában. Ha ugyanezt az izzót látjuk a távolban, és tudjuk, hogy milyen fényesnek kellene lennie, akkor a látszólagos fényessége alapján megbecsülhetjük, milyen messze van tőlünk. Ugyanez az elv érvényes a kozmikus távolságmérésre is.
Ia típusú szupernóvák: a kozmikus jelzőfények
Az egyik legmegbízhatóbb „standard gyertya” az Ia típusú szupernóva. Ezek a kataklizmatikus robbanások akkor következnek be, amikor egy fehér törpe csillag, amely egy Naphoz hasonló, elöregedett csillag maradványa, akkréciós korongot képez egy kísérőcsillagból származó anyagból. Ahogy a fehér törpe tömege növekszik, elér egy kritikus határt, az úgynevezett Chandrasekhar-határt (körülbelül 1,4 naptömeg), ami után a gravitáció győz, és a csillag összeomlik. Ez az összeomlás nukleáris fúziós reakciókat indít el a csillag anyagában, ami egy rendkívül erőteljes, ragyogó robbanáshoz vezet.
Ami különlegessé teszi az Ia típusú szupernóvákat, az az, hogy szinte kivétel nélkül ugyanazzal a maximális fényességgel robbannak fel. Ez a homogenitás teszi őket annyira értékes „standard gyertyává”. Olyan ez, mintha minden Ia típusú szupernóva egy 100 wattos villanykörte lenne a kozmikus sötétségben. Ha látunk egyet, és megmérjük a látszólagos fényerejét, könnyedén kiszámíthatjuk a távolságát. Minél halványabbnak tűnik, annál messzebb van.
Az 1990-es évek végén két független kutatócsoport, a Supernova Cosmology Project és a High-Z Supernova Search Team, Ia típusú szupernóvák megfigyelésével meglepő felfedezést tett. Azt várták, hogy a világegyetem tágulása lassulni fog a gravitáció hatására. Ehelyett azt tapasztalták, hogy a távoli szupernóvák halványabbnak tűntek, mint amire számítottak, ami arra utalt, hogy a világegyetem gyorsulva tágul. Ez a felfedezés forradalmasította a kozmológiát, és a sötét energia fogalmának bevezetéséhez vezetett, egy rejtélyes erőhöz, amelyről úgy gondolják, hogy a kozmikus terjeszkedés motorja.
Célváltozó csillagok: a közelebbi szomszédok
Míg az Ia típusú szupernóvák kiválóak a hatalmas távolságok mérésére, addig a közelebbi galaxisok távolságainak meghatározásához más „standard gyertyákra” van szükség. Itt lépnek színre a célváltozó csillagok, különösen a cepheidák. Ezek a csillagok egyedi módon pulzálnak, és fényességük periodikusan változik. Henrietta Swan Leavitt, egy amerikai csillagász a 20. század elején felfedezte, hogy a cepheidák pulzációs periódusa és az abszolút fényességük között közvetlen összefüggés van: minél hosszabb a pulzációs periódus, annál fényesebb a csillag.
Ez az „idő-fényesség” kapcsolat egy rendkívül hasznos eszköz a távolságmérésben. Ha megmérjük egy cepheida periódusát, tudjuk, milyen fényesnek kell lennie, és ebből a látszólagos fényessége alapján meghatározhatjuk a távolságát. A cepheidák azonban nem olyan fényesek, mint az Ia típusú szupernóvák, így csak a közelebbi galaxisokban figyelhetők meg. Ennek ellenére kulcsfontosságúak az Ia típusú szupernóvák kalibrálásában, mivel lehetővé teszik a kozmikus távolságlétra „első fokainak” pontos meghatározását.
A Hubble-állandó és a kozmikus rejtélyek
A „standard gyertyák” segítségével a csillagászok pontosabban meghatározhatják a Hubble-állandót, amely a világegyetem tágulásának aktuális sebességét írja le. A Hubble-állandó értékének pontos ismerete kritikus fontosságú a világegyetem korának és végső sorsának megértéséhez. Azonban az elmúlt években feszültség alakult ki a Hubble-állandó mérésének különböző módszerei között. A távoli Ia típusú szupernóvákon és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás elemzésén alapuló mérések eltérő értékeket adnak. Ez a „Hubble-feszültség” arra utalhat, hogy a jelenlegi kozmológiai modellünkben hiányzik valami, vagy hogy a sötét energia viselkedése sokkal bonyolultabb, mint gondoltuk.
A fehér törpék tehát nem csupán elöregedett csillagok halvány maradványai. Ia típusú szupernóva formájában válnak a kozmikus távolságmérés egyik legfontosabb eszközévé, és kulcsfontosságú szerepet játszanak a világegyetem tágulásának és a sötét energia titkainak feltárásában. Ahogy a technológia fejlődik, és a csillagászok egyre több adatot gyűjtenek, remélhetőleg közelebb kerülünk ahhoz, hogy megfejtsük a kozmosz legnagyobb rejtélyeit, és pontosabban megértsük, hogyan született és hogyan fejlődik az univerzum.
