small pl CAMK logo

 

 

Precyzyjny pomiar stałej Hubble'a w dobie projektu Gaia

Projekt NCN 2017/26/A/ST9/00446

 

 

Rodzaj projektu: Maestro 9

Podstawa finansowania: UMO-2017/26/A/ST9/00446 z 17.04.2018 z Narodowym Centrum Nauki

Okres realizacji: 17.04.2018 – 16.10.2023

Budżet projektu: 3 927 600,00 PLN


 

1. Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza

Precyzyjne i dokładne wyznaczenie stałej Hubble'a (H0) zawsze było jednym z najważniejszych problemów współczesnej astrofizyki. Obecna niepewność wyznaczenia H0, oparta na cefeidach i supernowych typu Ia, wynosi około 3% i jest zbyt duża, aby definitywnie rozwiązać palące problemy kosmologii, takie jak natura ciemnej energii. Po około 100 latach intensywnej pracy nad zmniejszeniem niepewności wyznaczenia H0 dotarliśmy do punktu, w którym dalsze zmniejszenie niepewności możliwe będzie tylko dzięki poprawie dokładności absolutnej kalibracji zależności okres-jasność (ang. period-luminosity, PL) dla cefeid, która odpowiada za około 70% całej niepewności H0. Aby zmniejszyć niepewność H0 do 1%, musimy znacząco zredukować błąd systematyczny punktu zerowego zależności PL poprzez: 1) zdefiniowanie precyzyjnej i dokładnej zależności wzorcowej PL, do której można dowiązać obserwowane zależności PL dla cefeid w odległych galaktykach; 2) skalibrowanie zależności jasność-metaliczność dla cefeid w różnych pasmach fotometrycznych. Pozwoli nam to zredukować niepewność punktu zerowego zależności PL do około 0.7%, a w rezultacie wyznaczyć H0 z błędem zaledwie jednego procenta.

 

 

2. Zastosowana metoda badawcza/metodyka

Proponujemy nowatorskie, wielopłaszczyznowe podejście oparte na pobliskich zaćmieniowych układach podwójnych oraz cefeidach i uzupełnione o paralaksy zebrane przez misję kosmiczną Gaia. W pierwszym kroku ulepszymy zależność jasność powierzchniowa-kolor (SBCR), wykorzystując nasze dane fotometryczne i spektroskopowe dla 100 galaktycznych zaćmieniowych układów podwójnych (w sumie 200 gwiazd) w połączeniu z paralaksami Gai. Metodę zastosujemy do zaćmieniowych układów podwójnych w LMC i SMC, co pozwoli wyznaczyć odległości do poszczególnych składników układów podwójnych i – poprzez uśrednienie wyników – osiągnąć dokładność rzędu 1-2%.

Drugi krok polegać będzie na wykorzystaniu już skalibrowanej zależności SBCR wraz z paralaksami Gai, aby wyznaczyć współczynniki projekcji (p-factors) dla 120 galaktycznych cefeid, z oczekiwaną dokładnością około 1-2%. p-factor jest istotą metody Baade-Wesselinka (B-W), która pozwala wyznaczyć odległości do poszczególnych cefeid z precyzją bezpośrednio skorelowaną z precyzją p-factor. Dysponując dużą liczbą bardzo dokładnych wyznaczeń p-factor dla galaktycznych cefeid skalibrujemy metodę B-W, która stanie się doskonałym narzędziem do pomiaru odległości z dokładnością 2% w obszarze 1 Mpc (obecnie) oraz do 20 Mpc wraz z pojawieniem się w przyszłości nowej klasy ekstremalnie dużych teleskopów. Następnie zastosujemy metodę B-W do zmierzenia z 2% dokładnością indywidualnych odległości do 40 i 35 cefeid w LMC i SMC.

Mając bardzo dokładne odległości do cefeid w LMC i SMC (dzięki SBCR i metodzie B-W) oraz do cefeid galaktycznych (dzięki paralaksom Gai), wyznaczymy zależność jasność-metaliczność dla cefeid w szerokim zakresie metaliczności (–0,8 < [Fe/H] < +0,2) konstruując wielopasmowe (BVJK) zależności PL i analizując ich residua w funkcji metaliczności. W efekcie skalibrujemy zależność jasności cefeid od metaliczności 5 razy dokładniej niż dotychczas.

W ostatnim kroku skonstruujemy dwie niezależne zależności PL dla 120 galaktycznych cefeid (na podstawie naszej fotometrii i paralaks Gai) oraz dla ~900 cefeid w LMC (na podstawie już opublikowanej fotometrii i naszej ostatecznej odległości z zaćmieniowych układów podwójnych), uwzględnimy poprawkę na metaliczność i uśrednimy punkty zerowe obu zależności PL. W rezultacie uzyskamy najlepszy punkt zerowy całej pozagalaktycznej skali odległości (dokładność około 0.7%), co pozwoli nam zmierzyć wartość H0 z dokładnością bliską 1%.

Do zebrania ogromnej ilości danych w bliskiej podczerwieni jasnych galaktycznych cefeid i zaćmieniowych układów podwójnych użyjemy 0,6-metrowego teleskopu wyposażonego w profesjonalną podczerwoną kamerę, umiejscowionego w Obserwatorium Cerro Armazones na pustyni Atacama w Chile. Rozbudowujemy i ulepszamy to obserwatorium, aby spełniło wymagania jakościowe i ilościowe jakie stawiamy zbieranym przez nas danym oraz zagwarantowało sukces naszego projektu.

 

 

3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki
Empiryczne wyznaczenie stałej Hubble’a z dokładnością około 1% będzie ogromnie ważne dla kosmologii, ponieważ pozwoli wyznaczyć jeszcze dokładniejsze tempo rozszerzania się wszechświata (za które w 2011 roku przyznano nagrodę Nobla) i zbadać odpowiedzialną za nie ciemną energię. W procesie dążenia do dokładniejszego wyznaczenia H0, opracujemy dwa unikalne narzędzia do precyzyjnych i dokładnych pomiarów odległości do pobliskich galaktyk, które stanowią doskonałe kosmiczne laboratoria do badania ogromnej ilości różnorodnych obiektów i procesów. Dla około 200 gwiazd wyznaczymy bardzo precyzyjne parametry gwiazdowe (masa, promień itp.), które pozwolą doprecyzować modele teorii ewolucji gwiazdowej. Wyniki naszych badań zostaną opublikowane w około 40 recenzowanych prestiżowych czasopismach astronomicznych, zostaną zaprezentowane na ~10 międzynarodowych konferencjach, ~20 seminariach, staną się podstawą 3 prac magisterskich, 2 rozpraw doktorskich oraz 3 habilitacji. Najważniejsze i najbardziej spektakularne odkrycia zostaną opublikowane w czasopismach Nature i Science oraz zostaną odpowiednio nagłośnione w mediach (prasa, radio, TV, itp.). Planujemy opublikować serię artykułów popularnonaukowych (w Uranii, Sky and Telescope itp.) prezentujących nasze wyniki w kontekście badań skali odległości. Założymy interaktywną stronę internetową dla naszego projektu, na której będziemy dzielić się ze społecznością astronomiczną wszystkimi danymi i wynikami uzyskanymi w trakcie realizacji naszego projektu.

 

 

4. Określenie, w jakim stopniu i zakresie projekt obejmuje pionierskie badania naukowe, w tym interdyscyplinarne, ważne dla rozwoju nauki, wykraczające poza dotychczasowy stan wiedzy

Obecnie znane dwa główne wyznaczenia H0 (klasyczne podejście wykorzystujące cefeidy i supernowe Ia oraz podejście kosmologiczne oparte na mikrofalowym promieniowaniu tła) różnią się o około 4σ. Ta niezgodność może wskazywać na nasze niepełne zrozumienie fizyki leżącej u podstaw wyznaczenia wartości H0 i zapowiadać przełom w wielu dziedzinach współczesnej astrofizyki oraz kosmologii. Nasze wyniki wskażą, czy potrzebna jest nowa fizyka poza standardowym modelem kosmologicznym. Będą też kluczowe dla zrozumienia natury ciemnej energii, która stanowi około 72% całkowitej gęstości materii/energii we Wszechświecie i jest odpowiedzialna za przyspieszoną ekspansję Wszechświata (nagroda Nobla w 2011 roku). Projekt może przynieść wyniki interdyscyplinarne wykraczające poza dotychczasowy stan wiedzy.

 

 

Zespół

Kierownik projektu: prof. Grzegorz Pietrzyński

Badacz: dr Ksenia Suchomska

Badacz: dr Megan Lewis

Badacz: dr Bogumił Pilecki

Badacz: mgr Gonzalo Rojas

 

 

Pozostali współpracownicy (w kolejności alfabetycznej):

S. Blex

S. Borgniet

L. Breuval

R. Chini

A. Gallenne

C. Gałan

Z. Ghaffari

B. Ghazinouri

M. Gładkowski

D. Graczyk

M. Górski

G. Hajdu

G. Hazinouri

V. Hocde

M. Kałuszyński

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

P. Karczmarek

P. Kołaczek-Szymański

K. Kotysz

T. Lisow

P. Mikołajczyk

D. Moździerski

W. Narloch

S. Noroozi

F. Pozo-Nunez

W. Pych

C. Sobrino Figaredo

F. Symietz

B. Trahin

P. Wielgórski

B. Zgirski

 

 

 

Publikacje w kolejności od najnowszej

 

G. Pietrzyński, D. Graczyk, A. Gallenne, W. Gieren, I. Thompson, B. Pilecki, P. Karczmarek, M. Górski, K. Suchomska, M. Taormina, B. Zgirski, P. Wielgórski, N. Nardetto, P. Kervella, F. Bresolin, R.-P. Kudritzki, J. Storm, R. Smolec, W. Narloch, M. Kałuszyński, S. Villanova, The Araucaria Project Establishes the Most Precise Benchmark for Cosmic Distances, Msngr, 179, 24 (2020), doi: 10.18727/0722-6691/5189

 

M. Taormina, R.-P. Kudritzki, J. Puls, B. Pilecki, E. Sextl, G. Pietrzyński, M.A. Urbaneja, W. Gieren, Towards early-type eclipsing binaries as extragalactic milestones: II. NLTE spectral analysis and stellar parameters of the detached O-type system OGLE-LMC-ECL-06782 in the LMC, ApJ, 890, 137 (2020), doi: 10.3847/1538-4357/ab6bd0

 

N. Nardetto, A. Salsi, D. Mourard, V. Hocdé, K. Perraut, A. Gallenne, A. Mérand, D. Graczyk, G. Pietrzynski, W. Gieren, P. Kervella, R. Ligi, A. Meilland, F. Morand, P. Stee, I. Tallon-Bosc, T. ten Brummelaar, Calibrating the surface brightness – color relation for late-type red giants stars in the visible domain using VEGA/CHARA interferometric observations, A&A, 639, A67 (2020), doi: 10.1051/0004-6361/202037679

 

L. Breuval, P. Kervella, R.I. Anderson, A.G. Riess, F. Arenou, B. Trahin, A. Mérand, A. Gallenne, W. Gieren, G. Pietrzyński, N. Nardetto, B. Javanmardi, V. Hocdé, The Milky Way Cepheid Leavitt law based on Gaia DR2 parallaxes of companion stars and host open cluster populations, A&A, 643, A115 (2020), doi: 10.1051/0004-6361/202038633

 

D. Graczyk, G. Pietrzyński, I.B. Thompson, W. Gieren, B. Zgirski, S. Villanova, M. Górski, P. Wielgórski, P. Karczmarek, W. Narloch, B. Pilecki, M. Taormina, R. Smolec, K. Suchomska, A. Gallenne, N. Nardetto, J. Storm, R.-P. Kudritzki, M. Kałuszyński, W. Pych, A Distance Determination to the Small Magellanic Cloud with an Accuracy of Better than Two Percent Based on Late-type Eclipsing Binary Stars, ApJ, 904, 13 (2020): doi: 10.3847/1538-4357/abbb2b

 

A. Gallenne, P. Kervella, S. Borgniet, A. Mérand, G. Pietrzyński, W. Gieren, J.D. Monnier, G.H. Schaefer, N.R. Evans, R.I. Anderson, F. Baron, R.M. Roettenbacher, P. Karczmarek, Multiplicity of Galactic Cepheids from long-baseline interferometry. IV. New detected companions from MIRC and PIONIER observations, A&A, 622A, 164 (2019), doi: 10.1051/0004-6361/201834614

 

M. Taormina, G. Pietrzyński, B. Pilecki, R.-P. Kudritzki, I. B. Thompson, D. Graczyk, W. Gieren, N. Nardetto, M. Górski, K. Suchomska, B. Zgirski, P. Wielgórski, P. Karczmarek, W. Narloch, Towards early-type eclipsing binaries as extragalactic milestones: I. Physical parameters of OGLE-LMC-ECL-22270 and OGLE-LMC-ECL-06782, ApJ, 886, 111 (2019), doi: 10.3847/1538-4357/ab4b57

 

W. Narloch, G. Pietrzyński, Z. Kołaczkowski, R. Smolec, M. Górski, K. Kubiak, A. Udalski, I. Soszyński, D. Graczyk, W. Gieren, P. Karczmarek, B. Zgirski, P. Wielgórski, K. Suchomska, B. Pilecki, M. Taormina, M. Kałuszyński, Candidates for non-pulsating stars located in the Cepheid instability strip in the Large Magellanic Cloud based on Strömgren photometry, MNRAS, 489, 3285 (2019), doi: 10.1093/mnras/stz2112

 

A. Gallenne, G. Pietrzyński, D. Graczyk, B. Pilecki, J. Storm, N. Nardetto, M. Taormina, W. Gieren, A. Tkachenko, P. Kervella, A. Mérand, M. Weber, The Araucaria Project: High-precision orbital parallax and masses of eclipsing binaries from infrared interferometry, A&A, 632, 31 (2019), doi: 10.1051/0004-6361/201935837

 

A. Gallenne, P. Kervella, N.R. Evans, C.R. Proffitt, J.D. Monnier, A. Mérand, E. Nelan, E. Winston, G. Pietrzyński, G. Schaefer, W. Gieren, R.I. Anderson, S. Borgniet, S. Kraus, R.M. Roettenbacher, F. Baron, B. Pilecki, M. Taormina, D. Graczyk, N. Mowlavi, et al., A Geometrical 1% Distance to the Short-period Binary Cepheid V1334 Cygni, ApJ, 876, 121 (2018), doi: 10.3847/1538-4357/aae373