La nostra intera comprensione dell'universo si basa sulla conoscenza delle distanze delle altre galassie, eppure questa domanda apparentemente semplice si rivela diabolicamente difficile a cui rispondere. La risposta migliore è arrivata più di 100 anni fa da un'astronoma che ai suoi tempi era per lo più sconosciuta e oggi, un altro astronomo ha utilizzato i dati Sloan Digital Sky Survey (SDSS) per rendere le misurazioni della distanza più precise che mai.

"È stato affascinante lavorare con star così storicamente significative, "dice Kate Hartman, uno studente universitario del Pomona College che ha annunciato i risultati all'odierna riunione dell'American Astronomical Society (AAS) a National Harbor, Maryland. Hartman ha studiato "Variabili Cefeidi, "un tipo di stella che periodicamente pulsa dentro e fuori, luminosità variabile nel corso di pochi giorni o settimane.

Il modello fu notato per la prima volta nel 1784 nella costellazione del Cefeo nel cielo settentrionale, così queste stelle divennero note come "variabili Cefeidi". Le variabili cefeidi sono passate da interessanti a completamente indispensabili nei primi anni del 1900 grazie al lavoro dell'astronoma Henrietta Leavitt. I contributi di Leavitt sono stati in gran parte ignorati per una semplice ragione:era una donna in un'epoca in cui le donne non venivano prese sul serio come astronomi.

Infatti, quando Leavitt fu assunto per la prima volta dall'Harvard College Observatory nel 1895, è stata assunta come "computer", un termine che significava qualcosa di completamente diverso da quello che significa oggi. Nei giorni precedenti ai computer moderni o persino alle calcolatrici tascabili, un "computer" era una persona assunta per eseguire calcoli complessi nella propria mente, assistito solo da matita e carta. Nonostante il lavoro fosse impegnativo, non era preso sul serio dagli scienziati professionisti maschi dell'epoca:era visto come un lavoro meccanico che non richiedeva intelligenza o intuizione che poteva essere svolto da chiunque, anche una donna.

Così nel 1908, quando Leavitt scoprì una relazione tra la luminosità (o "luminosità") di una stella variabile Cefeide e il tempo impiegato per attraversare un intero ciclo di cambiamento (il suo "periodo"), il suo lavoro non è stato immediatamente riconosciuto per il suo significato. Ci sono voluti anni perché la comunità di astronomia per lo più maschile si rendesse conto che questa relazione (oggi nota come "Legge di Leavitt") significa che misurare il periodo di una variabile Cefeide dà immediatamente la sua vera luminosità - e inoltre, che confrontandola con la sua apparente luminosità dà immediatamente la sua distanza.

Purtroppo, fu solo dopo la morte di Leavitt per cancro all'età di 53 anni che gli astronomi si resero conto che aveva trovato la chiave per sbloccare le distanze di tali stelle ovunque, sia nella nostra Via Lattea che in una galassia nel lontano universo.

Utilizzando la relazione periodo-luminosità scoperta da Leavitt, altri in seguito calcolarono le distanze dalle variabili Cefeidi nelle galassie al di fuori della nostra Via Lattea. Così facendo, hanno scoperto che il nostro universo si sta espandendo, a partire da un unico punto più di 14 miliardi di anni fa al Big Bang, una scoperta che non sarebbe mai stata possibile senza la scoperta della Legge di Leavitt.

Più di un secolo dopo, astronomi come Hartman stanno portando avanti il ​​lavoro di Leavitt. Il suo annuncio è avvenuto a seguito di un progetto di ricerca estivo di dieci settimane presso i Carnegie Observatories. Hartman ha lavorato a stretto contatto con il suo consulente di ricerca, Rachel Beaton, un borsista Hubble e Carnegie-Princeton ora con sede alla Princeton University.

Lo strumento che Hartman e Beaton stanno utilizzando per migliorare la nostra conoscenza delle variabili Cefeidi è l'Apache Point Galactic Evolution Experiment (APOGEE) di Sloan Digital Sky Survey. che sta mappando sistematicamente le composizioni chimiche e i movimenti delle stelle in tutti i componenti della nostra galassia.

Come spiega Beaton, "Il sondaggio APOGEE è ottimizzato per studiare il fresco, vecchie stelle di tipo gigante trovate in tutta la nostra galassia. E mentre le variabili Cefeidi sono più giovani e più grandi, sono simili in temperatura, quindi sono adatti per APOGEE."

Il fatto che le variabili Cefeidi compaiano nell'indagine APOGEE offre una grande opportunità per calibrare la Legge di Leavitt, ma offre anche un grande vantaggio:consente agli astronomi di mappare le giovani stelle nello stesso modo in cui mappano le vecchie stelle giganti. La mappatura di questi due tipi di stelle insieme consente agli astronomi di collegare strutture dell'antica galassia a componenti di formazione più recente. In questo modo, Le variabili cefeidi possono offrire una visione straordinaria della struttura della nostra galassia, ma tale intuizione comporta delle complicazioni.

La stessa proprietà di queste stelle che ha permesso a Henrietta Leavitt di scoprire la Legge di Leavitt - le loro prevedibili variazioni di luminosità - crea sfide per APOGEE. "Su un ciclo di pulsazioni di una variabile Cefeide, le proprietà della stella cambiano, " dice Beaton. "La sua temperatura, gravità superficiale, e le proprietà atmosferiche possono variare notevolmente in un tempo abbastanza breve. Quindi, come può APOGEE misurarli correttamente? Ho pensato che sarebbe stato un eccellente progetto di ricerca estivo per scoprirlo."

La studentessa ad accettare la sfida è stata Kate Hartman del Pomona College di Claremont, California. Hartman è stato in grado di dimostrare che è possibile ottenere misurazioni coerenti della composizione chimica delle variabili Cefeidi, indipendentemente da quando nel loro ciclo sono stati osservati da APOGEE.

Hartman spiega, "Ho dovuto guardare più spettri della stessa variabile Cefeide e misurare la quantità di elementi diversi nella stella. Quando abbiamo osservato lo spettro di una stella durante l'intero ciclo di pulsazioni, non abbiamo riscontrato differenze significative nei risultati. Ciò significa che otteniamo risultati affidabili ogni volta che guardiamo".

Sapere che APOGEE può misurare in modo affidabile le variabili Cefeidi è particolarmente importante, Hartman spiega, perché è il primo sondaggio che ne vede così tanti, così regolarmente, e in tanti posti. Poiché APOGEE ora opera simultaneamente con strumenti gemelli su telescopi sia nell'emisfero settentrionale che in quello meridionale, può vedere l'intera galassia, così come i nostri vicini, la Grande e la Piccola Nube di Magellano. Ciò significa che le Cefeidi possono essere osservate in ambienti chimici molto diversi, utilizzando ogni volta lo stesso strumento e lo stesso processo di analisi dei dati.

Come risultato delle scoperte di Hartman, ulteriori osservazioni APOGEE delle variabili Cefeidi sono ora in corso. Jen Sobeck dell'Università di Washington, Project Manager di APOGEE, spiega, "il sondaggio osserverà le Cefeidi più vicine e ben studiate con osservazioni più volte al mese, prenderà di mira le Cefeidi nella Grande e Piccola Nube di Magellano a gennaio, e prevede di prendere di mira tutte le Cefeidi in tutte le parti del cielo che osserviamo. Queste osservazioni sono un'importante aggiunta alla mappa APOGEE della galassia".

Con le distanze dirette dalle parallasse trigonometriche a un miliardo di stelle nella nostra galassia in arrivo dalla missione ESA Gaia, la spettroscopia APOGEE è l'ultimo pezzo del puzzle per completare il lavoro iniziato da Henrietta Leavitt nel 1908 e fornire una calibrazione accurata della Legge di Leavitt in tutte le variabili Cefeidi. E il prossimo Sloan Digital Sky Survey V fornirà dati ancora migliori. Con tutti questi nuovi strumenti a loro disposizione, gli astronomi potranno seguire il lavoro di astronomi come Leavitt e Hartman per le generazioni a venire.