Ons hele begrip van het heelal is gebaseerd op het kennen van de afstanden tot andere sterrenstelsels, toch blijkt deze schijnbaar eenvoudige vraag duivels moeilijk te beantwoorden. Het beste antwoord kwam meer dan 100 jaar geleden van een astronoom die in haar tijd grotendeels niet werd herkend - en vandaag, een andere astronoom heeft Sloan Digital Sky Survey (SDSS)-gegevens gebruikt om die afstandsmetingen nauwkeuriger dan ooit te maken.

"Het was fascinerend om met zulke historisch belangrijke sterren te werken, " zegt Kate Hartman, een student van Pomona College die de resultaten aankondigde tijdens de American Astronomical Society (AAS)-bijeenkomst van vandaag in National Harbor, Maryland. Hartman bestudeerde "Cepheid-variabelen, " een soort ster die periodiek in en uit pulseert, variërend in helderheid in de loop van een paar dagen of weken.

Het patroon werd voor het eerst opgemerkt in 1784 in het sterrenbeeld Cepheus aan de noordelijke hemel, dus werden deze sterren bekend als 'Cepheid-variabelen'. Cepheid-variabelen veranderden in het begin van de twintigste eeuw van interessant naar volledig onmisbaar dankzij het werk van astronoom Henrietta Leavitt. Leavitts bijdragen werden grotendeels genegeerd om één simpele reden:ze was een vrouw in een tijd dat vrouwen als astronomen niet serieus werden genomen.

In feite, toen Leavitt voor het eerst werd aangenomen door het Harvard College Observatory in 1895, ze werd ingehuurd als 'computer' - een term die iets heel anders betekende dan wat het tegenwoordig betekent. In de dagen vóór moderne computers of zelfs zakrekenmachines, een "computer" was een persoon die werd ingehuurd om complexe berekeningen in hun hoofd uit te voeren, alleen geholpen door potlood en papier. Hoewel het werk veeleisend was, het werd niet serieus genomen door de mannelijke professionele wetenschappers van die tijd - het werd gezien als routinewerk waarvoor geen intelligentie of inzicht nodig was dat door iedereen kon worden gedaan, zelfs een vrouw.

Dus in 1908, toen Leavitt een verband ontdekte tussen de helderheid (of "helderheid") van een Cepheïde veranderlijke ster en de tijd die nodig was om een ​​volledige cyclus van verandering te doorlopen (de "periode"), haar werk werd niet onmiddellijk erkend voor zijn betekenis. Het duurde jaren voordat de overwegend mannelijke astronomiegemeenschap zich realiseerde dat deze relatie (tegenwoordig bekend als "de Leavitt-wet") betekent dat het meten van de periode van een Cepheïde-variabele onmiddellijk zijn ware helderheid geeft - en bovendien, dat als je dit vergelijkt met zijn schijnbare helderheid, je meteen de afstand aangeeft.

Helaas, pas na Leavitts dood aan kanker op 53-jarige leeftijd realiseerden astronomen zich dat ze de sleutel had gevonden om de afstanden naar dergelijke sterren overal te ontgrendelen - of het nu in onze Melkweg is of in een sterrenstelsel in het verre heelal.

Gebruikmakend van de periode-helderheidsrelatie die Leavitt ontdekte, anderen berekenden later de afstanden tot Cepheïdenvariabelen in sterrenstelsels buiten onze eigen Melkweg. Daarbij, ze ontdekten dat ons universum uitdijt, beginnend vanaf één enkel punt meer dan 14 miljard jaar geleden bij de oerknal - een ontdekking die nooit mogelijk zou zijn geweest zonder de ontdekking van de Leavitt-wet.

Meer dan een eeuw later, astronomen als Hartman zetten Leavitts werk voort. Haar aankondiging kwam tot stand als resultaat van een tien weken durend zomeronderzoeksproject bij Carnegie Observatories. Hartman werkte nauw samen met haar onderzoeksadviseur, Rachel Beaton, een Hubble en Carnegie-Princeton fellow nu gevestigd aan de Princeton University.

De tool die Hartman en Beaton gebruiken om onze kennis van cepheïdenvariabelen te verbeteren, is het Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) van de Sloan Digital Sky Survey, die systematisch de chemische samenstelling en bewegingen van sterren in alle componenten van onze melkweg in kaart brengt.

Zoals Beaton uitlegt, "De APOGEE-enquête is geoptimaliseerd om de koele, oude reuzensterren die overal in ons melkwegstelsel worden aangetroffen. En hoewel de Cepheïden-variabelen jonger en groter zijn, ze zijn vergelijkbaar in temperatuur, dus ze zijn zeer geschikt voor APOGEE."

Het feit dat Cepheid-variabelen in de APOGEE-enquête voorkomen, biedt een geweldige kans om de Leavitt-wet te kalibreren, maar biedt ook een groot voordeel:het stelt astronomen in staat om jonge sterren in kaart te brengen op dezelfde manier als ze oude reuzensterren in kaart brengen. Door deze twee soorten sterren samen in kaart te brengen, kunnen astronomen structuren van het oude sterrenstelsel verbinden met meer recent gevormde componenten. Op deze manier, Cepheïdenvariabelen kunnen een enorm inzicht bieden in de structuur van onze melkweg, maar een dergelijk inzicht brengt complicaties met zich mee.

De eigenschap van deze sterren die Henrietta Leavitt in staat stelde de wet van Leavitt te ontdekken - hun voorspelbare variaties in helderheid - creëert uitdagingen voor APOGEE. "Over een pulsatiecyclus van een Cepheïde variabele, de eigenschappen van de ster veranderen, "zegt Beaton. "De temperatuur, oppervlakte zwaartekracht, en atmosferische eigenschappen kunnen in vrij korte tijd sterk variëren. Dus hoe kan APOGEE ze goed meten? Ik dacht dat het een uitstekend zomeronderzoeksproject zou zijn om daar achter te komen."

De student die de uitdaging aanging, was Kate Hartman van het Pomona College in Claremont, Californië. Hartman kon aantonen dat het mogelijk is om consistente metingen te krijgen van de chemische samenstelling van Cepheïden variabelen, ongeacht wanneer ze in hun cyclus werden waargenomen door APOGEE.

Hartman legt uit, "Ik moest naar meerdere spectra van dezelfde Cepheïde-variabele kijken en de hoeveelheid verschillende elementen in de ster meten. Toen we naar het spectrum van een ster over zijn hele pulsatiecyclus keken, we vonden geen significante verschillen in de resultaten. Dat betekent dat we elke keer dat we kijken betrouwbare resultaten krijgen."

Het is bijzonder belangrijk te weten dat APOGEE op betrouwbare wijze Cepheïden kan meten. Hartman legt uit, omdat het de eerste enquête is die er zo veel ziet, zo regelmatig, en op zoveel plaatsen. Omdat APOGEE nu gelijktijdig werkt met twee instrumenten op telescopen op zowel het noordelijk als het zuidelijk halfrond, het kan de hele melkweg zien, evenals onze buren de Grote en Kleine Magelhaense Wolk. Dit betekent dat Cepheïden in zeer verschillende chemische omgevingen kunnen worden waargenomen, elke keer hetzelfde instrument en data-analyseproces gebruiken.

Als gevolg van de bevindingen van Hartman, aanvullende APOGEE-waarnemingen van Cepheïden-variabelen zijn nu in volle gang. Jen Sobeck van de Universiteit van Washington, APOGEE's projectmanager, verklaart, "het onderzoek zal de meest nabije en best bestudeerde Cepheïden observeren met waarnemingen meerdere keren per maand, zal zich in januari richten op Cepheïden in de Grote en Kleine Magelhaense Wolk, en is van plan om zich uiteindelijk op alle Cepheïden in alle delen van de hemel die we waarnemen te richten. Deze waarnemingen zijn een belangrijke toevoeging aan de APOGEE-kaart van de melkweg."

Met directe afstanden van trigonometrische parallaxen tot een miljard sterren in onze melkweg die binnenkort van de ESA Gaia-missie komen, de APOGEE-spectroscopie is het laatste stukje van de puzzel om het werk dat Henrietta Leavitt in 1908 begon te voltooien en een nauwkeurige kalibratie van de Leavitt-wet in alle Cepheid-variabele sterren te bieden. En de aanstaande Sloan Digital Sky Survey V zal nog betere gegevens opleveren. Met al deze nieuwe tools tot hun beschikking, astronomen zullen generaties lang het werk van astronomen als Leavitt - en Hartman - kunnen volgen.