Az előző részben átvettük a csillagászati távolságok alapfogalmait, amelyekből most főleg a szögméréseket és a távolságegységeket fogjuk intenzíven használni. A távolságlétra első lépcsőfoka a parallaxis jelenségén alapul, amire a távolságmérési módszerek java épül. Ez a pusztán geometriai távolságmérési módszer a közvetlen galaktikus szomszédságunkban található égitestek távolságának meghatározására alkalmas. Hogy mennyire közvetlen szomszédságról beszélünk, az persze a korokon át egészen sokat változott. A bejegyzéssorozat ezen következő fejezetében a jelenség megismerése mellett az asztrometria – azaz az égi pozíciók mérésének tudománya – világára és azon belül is elsősorban a parallaxis mérésére derítünk fényt.

A csillagászati parallaxis mérés mérnöki kihívás, matematikai viszont egyszerű - reméljük a bejegyzés végére érve mindenki egyetért ezzel a megállapítással. (Kép: Alexandra Angelich, NRAO/AUI/NSF)

Már az ókori civilizációk is ismertek olyan geometriai összefüggéseket, amelyekkel a Naprendszer égitestjeinek távolságát tudták megbecsülni. Ugyanakkor nagyon sokáig homály fedte a csillagok távolságát, és csak hipotézisek, valamint alsó becslések álltak az emberiség rendelkezésére. Nem véletlenül, ezek ugyanis olyan messze helyezkednek el tőlünk, hogy  égi pozíciójuknak a saját mozgásuk okán történő megváltozása még egy teljes emberöltő alatt sem észlelhető. Az asztrometriában az égbolton ezt az egységnyi idő alatt való szögelmozdulást hívjuk sajátmozgásnak, amelyet a leggyorsabban elmozdulni látszó csillagok esetében is jellemzően ívmásodperc/év mértékegységben tudunk csak mérni.

A legnagyobb ismert sajátmozgással bíró Barnard csillag látszó elmozdulása a távoli csillagokhoz képest, kilenc év alatt.

Ez a nyugalom kapóra is jön nekünk (mondhatni nyugvó célpontra könnyebb lőni), ugyanis a parallaxis mérése kifejezetten nehézkessé válhatna emberi időskálán összevissza vándorló égitestek esetében. A jelenség tulajdonképpen nem más, mint hogy különböző helyekről megfigyelve egy "nyugvó" objektumot, más-más irányban fogjuk azt látni. A látóirányok által bezárt szöget parallaxisnak hívjuk. Minél távolabbi egy objektum, annál kisebbnek fogjuk ezt a szöget tapasztalni, ami földi skálákon az emberi szempár térérzékelésében nyilvánul meg a legjobban (nyugodtan teszteljük le). Érdekesség, hogy azok az állatok is képesek ilyen módon érzékelni a dolgok távolságát, amelyek két szemének látótere nem esik egybe – nem látják ugyanazt a tárgyat mindkét szemükkel –, ennek ékes példái a galambok, amik fejük előre-hátra mozgatásával érik el a két különböző irányú percepciót, melyet az agyuk képes térhatásként visszaadni számukra.

A parallaxis szemléltetése. A megfigyelt objektum távolsága = (bázisvonal / 2) / tan(alfa).

És hogy miként lesz a parallaxis szögből távolság? Ez már csak egyszerű trigonometria: a megfigyelési pontok közti távolság (bázisvonal) felét el kell osztani a parallaxis szög felének (a fenti ábrán alfával jelölve) tangensével. A csillagászatban azonban igen nagy távolságokról beszélünk, így a parallaxis szöge is rendkívül kicsiny lesz. Ennek ellensúlyozására a lehető legnagyobb bázisvonallal (a két megfigyelés közti távolsággal) kell végezni a méréseket, olyannyira, hogy bolygóléptékben kell gondolkozni. A Föld mozgásából eredeztethető a csillagászati parallaxis fogalma. Beszélhetünk napi parallaxisról, ami a Föld forgásából eredő helyváltoztatásunk látóirány-különbségének szögét jelenti. A módszer a bolygónk két átellenes pontjáról történő egyidejű megfigyelés esetén 12750 km-es bázisvonalat jelent – mindez azonban még így is oly kismértékű szögeket eredményez, hogy legfeljebb a Naprendszer objektumainak megfigyelésekor számolhatunk vele. A csillagok távolságának kiméréséhez még ennél is nagyobb távolságokról kell végezni a megfigyeléseket.

Mondjuk a Föld Nap körüli pályájának két átellenes pontjáról, ami fél év eltéréssel végzett észlelések esetén valósítható meg  – ezáltal 300 millió km-es bázisvonalra szert téve! Ennek megfelelően az égitestek megfigyelt irányának ily módon kimért szögeltérését éves parallaxisnak nevezzük. A naprendszerbeli testek ennyi idő alatt elmozdulnak saját keringésük révén, ezért ezt jóval nagyobb távolságokon célszerű alkalmazni. Az előző részben említettünk már egy csillagászati távolságegységet, a parszeket, amely az a távolság, ahonnan az évi parallaxis szöge 1 ívmásodperc (1") lenne. Ez a távolság nagyjából 3,26 fényév. A helyzet az, hogy a legközelebbi csillag is ennél távolabb van tőlünk (Proxima Centauri, ~4,2 fényév), vagyis annak parallaxisa is kisebb, mint 1".

A Föld (E) Nap körüli pályáját (kék ellipszis) kihasználó parallaxis mérés szemléltetése egy távoli csillagról (S) és annak változó látszó pozíciójáról (v). (Forrás: PdeQuant / Wikipedia)

Maga a jelenség elnevezése is az ókori görögöktől származik, és már ők is próbálkoztak a csillagok parallaxisának mérésével (mert már akkor gondolkodtak heliocentrikus világképekben), de szabad szemmel erre nem volt esélyük, mindössze egy alsó korlátot tudtak mondani a csillagok távolságára. Egyrészt az emberi szem szögfelbontó képessége alig éri el az egy ívperc értéket (1', az ívmásodperc 60-szorosa; gyorstalpaló a szögfelbontásról az előző részben), másrészt a légkör nyugtalanságának köszönhetően a távcsővel való szögfelbontás (mindenféle trükkös számítógépes megoldásokat leszámítva, mint az adaptív optika) sem nagyon haladja meg a néhány tized ívmásodperces értéket. Vagyis a Föld felszínéről legfeljebb a legközelebbi csillagok parallaxisai mérhetőek meg (mindössze 6 olyan csillag van, amelynek a parallaxisa meghaladja a fél ívmásodpercet). Nem véletlen, hogy az első sikeres parallaxismérésig egészen 1838-ig kellett várni, amikor Friedrich Bessel a Hattyú csillagkép egy közeli csillagának meg tudta határozni a parallaxisát, ez ~0,3"-nek adódott, ami nagyjából 10 fényéves távolságot jelent.

A 61 Cygni csillag távolságáról szóló eredeti publikáció fejléce, jegyezte Friedrich Bessel, tanácsos, lovag és mellesleg csillagász.

A technika fejlődésével lehetővé vált az űrből csillagászati megfigyeléseket végezni, ahol a légkörünk korlátai már nem szabnak nekünk gátat. Mivel az Univerzum megismeréséhez elengedhetetlen, hogy az égitestek távolságát megfelelő pontossággal ismerjük, ezért a XX. század végén kifejezetten erre a célra dedikált űreszközöket kezdtek tervezni és építeni. 1989-ben indult útnak négyéves küldetésére az Európai Űrügynökség (ESA) HIPPARCOS (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite) nevű űrtávcsöve, amely célul tűzte ki az addigi legnagyobb asztrometriai adatbázis létrehozását. Ennek során majd 120 000 fényesebb csillag égi pozícióját mérték meg ezred ívmásodperces nagyságrendben (10%-os pontosságon belül), illetve további 2 500 000 csillagét kisebb pontossággal. Ezzel galaxisunk környező néhány ezer fényéves szomszédságát sikerült alaposan feltérképezni.

Az Európai Űrügynökség asztrometriai űreszközei: a Hipparcos (balra) és a Gaia (jobbra). (Képek: ESA)

Ugyanakkor nem állhat meg itt a tudomány, hiszen a Tejútrendszerünk mérete ennél a pár ezer fényévnél több tucatszor nagyobb, és jó lenne ismerni részleteiben, hogy mit merre találunk. Erre a célra tervezték a 2000-es évek elején a Gaia nevű űreszközt, amely végül 2013-ban indult el, és az utóbbi években megérkeztek az első eredmények is. Több mint 1 000 000 000 (EGYMILLIÁRD!) csillag égi pozíciójának mérésére készült, melyeket néhány tíz - néhány száz MILLIOMOD ívmásodperces pontossággal képes meghatározni. Ez a teljesítmény már kecsegtet azzal a reménnyel, hogy a galaxisunkon belüli csillagok többségének távolságára adhassunk legalább egy jó becslést. Azonban mind a mérések, mind pedig az adatok feldolgozása éveket vesz igénybe, így egyelőre még várnunk a teljes adatbázisra és az ebből származtatható tudományos eredményekre – mint pl. a Tejútrendszer spirálkarjainak pontos alakja.

A Hipparcos és Gaia missziók által vizsgált csillagok tőlünk mért hozzátevőleges távolsága – a szemléltetéshez az M101 galaxisról készített felvételt használták háttérnek.  (Forrás: http://spiff.rit.edu/classes; az M101 galaxis képe: NASA/ESA/STScI & Canada-France-Hawaii Telescope)

Érdekesség: bár a szemléltető ábrákon jelentősnek tűnhet parallaxis mérése során a csillagok látszólagos elmozdulása, fontos újra leszögezni, hogy a valóságban elképesztően kis szögekről van szó, amely pusztán emberi szemmel nem vehető észre (lásd, az első csillagászati parallaxis méréshez Besselnek is speciális heliométerre volt szüksége). Természetesen a bázisvonal növelésével a parallaxis-szög is nő: előbbit illetően a jelenlegi rekordot a New Horizons űrszonda állította fel, a Kuiper-övben barangoló űreszköz révén közel hét milliárd km-es bázisvonalat lehetett elérni. Ez a legközelebbi csillag esetében 0,6'-es elmozdulást jelent – vagyis, még ezt sem venné észre a szemünk!

A háttércsillagok előtt a Naprendszerhez legközelebbi csillag, a Proxima Centauri ugrál, a Föld és a New Horizons látószögéből megfigyelve. (Képek: Las Cumbres Observatory, Siding Spring; NASA / JHUAPL / SWRI)

A csillagászati ismeretek szinte minden szinten az objektumok távolságának függvényei, így az Univerzum alapos megértéséhez elengedhetetlen hogy tudjuk az égitestek pontos pozícióját. Ez nagyobb léptékekben parallaxisméréssel egyelőre nem tűnik lehetségesnek, ezért az égitestek más, távolsághoz kapcsolódó fizikai tulajdonságait kell kikutatnunk, ezeket pedig az ebben a bejegyzésben taglalt – geometriai módszerrel megmérhető távolságú – csillagokon kell tesztelnünk. A sorozatunk következő bejegyzésében immáron a kozmikus távolságlétra első lépcsőfokának birtokában vágunk neki a többnyire fotometriai, azaz a csillagok fényességével összefüggésben lévő távolságmérési módszereknek.

Csoportkép 1,7 milliárd csillagról – a látszat azonban csal, ez a kép ugyanis nem egy felvétel eredménye. A Gaia által mért csillagok fényessége és színe a pozíciójuknak megfelelően lett ábrázolva, így összeálíltva a Galaxist, ahogy mi látjuk. (Forrás: Gaia DPAC / A. Moitinho, A. F. Silva, M. Barros, C. Barata (Univ. of Lisbon, Portugal) / H. Savietto (Fork Research))

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.