Bagaimanakah ahli astronomi mengetahui jarak sebuah galaksi yang terletak berjuta-juta tahun cahaya dari Bumi? Bagi bintang yang berdekatan, jarak boleh diukur melalui paralaks. Namun, apabila bintang semakin jauh, sudut paralaksnya menjadi terlalu kecil untuk diukur dengan tepat menggunakan instrumen yang tersedia. Salah satu penyelesaian penting datang daripada sejenis bintang yang kecerahannya berubah secara berkala, iaitu bintang Cepheid, dan kaedahnya bergantung pada hubungan tempoh–luminositi.
Bintang yang berubah kecerahan
Kebanyakan bintang kelihatan hampir sama cerah apabila diperhatikan dari malam ke malam, tetapi sesetengah bintang mengalami perubahan kecerahan yang dapat diukur. Bintang seperti ini dikenali sebagai bintang berubah. Salah satu kumpulannya ialah bintang Cepheid, yang dinamakan sempena Delta Cephei, sebuah bintang berubah dalam buruj Cepheus. Bintang Cepheid mengalami denyutan fizikal: lapisan luarnya mengembang dan mengecut secara berkala, disertai perubahan suhu permukaan dan luminositi.
Denyutan ini berkaitan dengan perubahan kelegapan gas dalam lapisan tertentu bintang, khususnya kawasan yang melibatkan pengionan helium. Apabila kelegapan berubah, kadar tenaga sinaran yang keluar dari lapisan tersebut turut berubah. Interaksi antara tekanan, graviti dan pemindahan tenaga membantu mengekalkan denyutan, lalu luminositi bintang meningkat dan menurun sepanjang satu kitaran. Oleh itu, perubahan kecerahan Cepheid bukan semata-mata disebabkan oleh objek lain yang melintas di hadapannya.
Apakah yang dimaksudkan dengan tempoh denyutan?
Tempoh denyutan ialah masa yang diperlukan oleh bintang untuk melengkapkan satu kitaran perubahan kecerahan. Ahli astronomi mengukurnya dengan merakam kecerahan bintang berulang kali, lalu memplotkan hasilnya pada graf yang dikenali sebagai lengkung cahaya. Paksi mendatar menunjukkan masa, manakala paksi menegak menunjukkan kecerahan yang diperhatikan. Jika corak kecerahan berulang setiap lima hari, tempoh denyutan bintang tersebut ialah kira-kira lima hari.
Bintang Cepheid klasik lazimnya mempunyai tempoh denyutan dalam lingkungan beberapa hari hingga puluhan hari, walaupun terdapat contoh di luar lingkungan tersebut. Tempoh ini memberikan petunjuk penting tentang sifat fizikal bintang.
Hubungan antara tempoh dengan luminositi
Pada awal abad ke-20, ahli astronomi Henrietta Swan Leavitt mengkaji bintang berubah dalam Awan Magellan Kecil. Beliau mendapati bahawa bintang Cepheid yang mempunyai tempoh denyutan lebih panjang cenderung kelihatan lebih cerah. Pemerhatian ini penting kerana bintang-bintang yang dikaji berada dalam galaksi yang sama. Walaupun jarak setiap bintang tidak benar-benar seragam, perbezaan jarak antara bintang tersebut jauh lebih kecil berbanding jaraknya dari Bumi, maka perbezaan kecerahan yang diperhatikan boleh digunakan untuk menyiasat perbezaan luminositi sebenar.
Leavitt mengenal pasti hubungan antara tempoh denyutan dengan luminositi, yang kini dikenali sebagai hubungan tempoh–luminositi atau Hukum Leavitt. Bagi bintang Cepheid klasik, tempoh yang lebih panjang secara umumnya menunjukkan luminositi purata yang lebih tinggi. Namun, hubungan ini perlu ditentukur sebelum digunakan untuk menentukan jarak sebenar, dan ia juga tidak boleh digunakan secara sembarangan kepada semua jenis bintang berubah.
Luminositi berbeza daripada kecerahan yang dilihat
Dua istilah penting perlu dibezakan. Luminositi ialah jumlah tenaga yang dipancarkan oleh bintang setiap saat, manakala kecerahan tampak ialah banyaknya tenaga cahaya yang diterima daripada bintang pada setiap unit luas dalam satu saat, bagi julat sinaran yang ditentukan. Sebuah bintang boleh mempunyai luminositi yang sangat tinggi tetapi kelihatan malap kerana terletak jauh dari Bumi.
Bagi sumber yang memancarkan sinaran secara seragam ke semua arah, dan jika tiada penyerapan atau kesan lain sepanjang perjalanan cahaya, kecerahan tampak berkurang mengikut kuasa dua jarak. Contohnya, jika dua bintang mempunyai luminositi yang sama tetapi bintang kedua berada dua kali lebih jauh, kecerahan tampaknya hanya satu perempat daripada bintang pertama. Hubungan ini membolehkan jarak ditentukan apabila luminositi dan kecerahan tampak diketahui.
Bagaimanakah jarak galaksi dikira?
Ahli astronomi mula-mula mengenal pasti bintang Cepheid dalam sebuah galaksi melalui pemerhatian kecerahan berulang, kemudian mengukur tempoh denyutannya. Tempoh tersebut digunakan bersama hubungan tempoh–luminositi yang telah ditentukur untuk menganggarkan luminositi purata bintang. Luminositi itu seterusnya dibandingkan dengan kecerahan yang diterima oleh teleskop. Jika bintang kelihatan jauh lebih malap daripada yang dijangka berdasarkan luminositinya, bintang tersebut mungkin berada pada jarak yang lebih jauh.
Dengan mengambil kira kesan habuk antara bintang dan faktor pemerhatian lain, ahli astronomi boleh menganggarkan jarak Cepheid tersebut. Apabila beberapa Cepheid dalam galaksi yang sama diperhatikan, gabungan pengukuran boleh menghasilkan anggaran jarak galaksi yang lebih kukuh. Kaedah ini menjadi salah satu asas tangga jarak kosmik, iaitu rangkaian kaedah pengukuran yang saling menentukur untuk menentukan jarak objek pada skala yang semakin besar.
Mengapakah pengukuran ini tidak semudah mengukur tempoh sahaja?
Hubungan tempoh–luminositi perlu digunakan dengan teliti. Pertama, bintang Cepheid klasik dan Cepheid Jenis II mempunyai sifat populasi bintang yang berbeza. Selain itu, Cepheid klasik sendiri boleh berdenyut dalam mod asas atau mod overtone, dan hubungan tempoh–luminositi yang sesuai perlu digunakan bagi setiap mod. Kedua, habuk antara bintang boleh menyerap dan menyerakkan cahaya, sehingga bintang kelihatan lebih malap daripada keadaan tanpa habuk. Ketiga, cahaya daripada bintang berdekatan boleh bercampur dengan cahaya Cepheid yang sedang diukur, terutamanya dalam kawasan galaksi yang padat. Selain itu, komposisi kimia bintang boleh mempengaruhi penentukuran hubungan ini.
Ahli astronomi menggunakan pemerhatian pada beberapa panjang gelombang, pengukuran berketepatan tinggi dan model yang sesuai untuk mengurangkan kesan tersebut. Oleh itu, jarak yang diperoleh ialah anggaran saintifik dengan ketidakpastian yang perlu dinyatakan, bukannya nilai tepat tanpa ralat.
Bagaimanakah ahli astronomi memastikan tempoh denyutan berkaitan dengan luminositi?
Dua bintang Cepheid klasik mempunyai tempoh denyutan masing-masing lima hari dan 20 hari. Apakah kesimpulan yang paling tepat berdasarkan hubungan tempoh–luminositi?