การวัดระยะทางด้วยดาวแปรแสง
เราไม่สามารถวัดระยะทางของกาแล็กซีโดยใช้วิธีแพรัลแล็กซ์ เนื่องจากกาแล็กซีอยู่ห่างจากโลกมาจนไม่สามารถสังเกตมุมแพรัลแล็กซ์ได้ (วิธีแพรัลแลกซ์ใช้กับดาวที่อยู่ห่างไม่เกิน 100 พาร์เซก) นักดาราศาสตร์ทำการวัดระยะทางของกาแล็กซี โดยใช้การเปรียบเทียบกำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงแบบเซฟีด (Cepheid) และดาวแปรแสงแบบอาร์อาร์ไลแร (RR Lyrae)
เนื่องจากดาวแปรแสงทั้งสองชนิดมีสมบัติเฉพาะตัว ซึ่งสามารถนำมาเปรียบเทียบกำลังส่องสว่างได้ โดยใช้หลักการเปรียบเทียบระยะทางกับกำลังส่องสว่างของเทียนไข ยกตัวอย่างเช่น เทียนไขเล่มหนึ่งมีกำลังส่องสว่างมาตราฐาน 1 แรงเทียน ถ้าเราอยู่ห่างจากเทียนไขเพิ่มขึ้น 2 เท่า กำลังส่องสว่างของเทียนไขก็จะลดลง 4 เท่าเป็นต้น หากเทียนไขมีกำลังส่องสว่างลดลงกี่เท่า เราก็สามารถคำนวณระยะทางของเทียนไขได้ โดยใช้กฏระยะทางผกผันยกกำลังสอง
ดาวแปรแสงแบบเซฟีด และ RR Lyrae เป็นดาวที่มีคาบการเปลี่ยนแปลงความสว่างที่แน่นอน เนื่องจากกลไกของแรงโน้มถ่วงและแรงดันของแก๊สภายในดาว นักดาราศาสตร์พยายามใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ค้นหาดาวแปรแสงแบบเซฟีดในกาแล็กซี และดาวแปรแสงแบบ RR Lyrae ในกระจุกดาวทรงกลม เพื่อนำค่าโชติมาตรมาเปรียบเทียบเพื่อคำนวณหาระยะทาง โดยใช้สูตร m – M = 5 log d – 5 ดังตัวอย่างด้านล่าง
m – M = 5 log d – 5
โดยที่ m = โชติมาตรปรากฏ
M = โชติมาตรสัมบูรณ์
d = ระยะห่างระหว่างโลกกับดาว มีหน่วยเป็น พาร์เซก
ตัวอย่างที่ 1: นักดาราศาสตร์สังเกตดาวแปรแสงแบบเซฟีดในกาแล็กซีแห่งหนึ่ง มีคาบการแปรแสง 34 วัน และมีโชติมาตรปรากฎ +23.0 นักดาราศาสตร์มีบันทึกในประวัติฐานข้อมูลว่า ดาวแปรแสงทีี่มีสมบัติเช่นนี้ที่เคยพบมีโชติมาตรสัมบูรณ์ -5.65 ดังนั้นจึงนำค่าโชติมาตรทั้งสองมาแทนค่าในสูตรหาระยะทางของกาแล็กซี ได้ดังนี้
m – M = 5 log d – 5
ดังนั้น
d = 10(m – M + 5)/5 พาร์เซก
= 10(23 – -5.65 + 5)/5 พาร์เซก
= 106.73 พาร์เซก
= 5.4 ล้านพาร์เซก
หมายเหตุ: การวัดระยะทางด้วยดาวแปรแสงใช้ได้กับวัตถุที่มีระยะห่างไม่เกิน 50 ล้านพาร์เซก หากกาแล็กซีอยู่ไกลกว่านี้ ดาวแปรแสงจะมีขนาดเล็กและมีความสว่างน้อยเกินไปจนไม่สามารถตรวจวัดได้ การหาระยะทางของกาแล็กซีที่อยู่ไกลกว่านี้จะใช้ความสว่างของซูเปอร์โนวาเป็นตัวเปรียบเทียบแทน
ด้วยการอาศัยหลักการสะท้อนแสง นักดาราศาสตร์สามารถใช้กล้องอีเอสโอวัดระยะทางของดาวแปรแสงชนิดซีฟิดได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน
ดาวฤกษ์แบบซีฟิด เป็นดาวแปรแสงที่มีสมบัติเฉพาะตัว นักดาราศาสตร์ใช้ดาวชนิดนี้เป็นเครื่องมือแทนไม้บรรทัดวัดระยะทางของดาวและดาราจักรมาเป็นเวลานานเกือบร้อยปีแล้ว
การวัดนี้กระทำด้วยกล้องโทรทรรศน์เอ็นทีทีของหอดูดาวยุโรปซีกโลกใต้หรืออีเอสโอ ที่ตั้งอยู่ที่ลาซียาในชิลี เป็นการวัดระยะทางของดาวชนิดซีฟิดที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยทำมา เทคนิคนี้ต่างจากเทคนิคอื่นที่ต้องมีการตีความหลายทอด แต่วิธีใหม่ของอีเอสโอนี้ใช้หลักเรขาคณิตเพียงอย่างเดียว
นักดาราศาสตร์คณะนี้ได้ศึกษาดาวอาร์เอสท้ายเรือ (RS Pup) ซึ่งเป็นดาวชนิดซีฟิดที่อยู่ในกลุ่มดาวท้ายเรือ ดาวดวงนี้สว่างพอที่จะมองเห็นได้ด้วยกล้องสองตาธรรมดา ดาวอาร์เอสท้ายเรือแปรแสงให้ความสว่างต่างกันเกือบ 5 เท่าด้วยคาบ 41.4 วัน มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 10 เท่า และใหญ่กว่าราว 200 เท่า แผ่พลังงานความสว่างมากกว่า 15,000 เท่า
สิ่งที่พิเศษก็คือ ดาวอาร์เอสท้ายเรือ เป็นดาวชนิดซีฟิดเพียงดวงเดียวที่อยู่ในเนบิวลาขนาดใหญ่ซึ่งมีโครงสร้างเป็นฝุ่นละเอียดที่สะท้อนแสงบางส่วนจากดาวฤกษ์ เมื่อแสงจากดาวมีความสว่างเปลี่ยนแปลง ความสว่างของเนบิวลานี้ก็เปลี่ยนตามไปด้วย
แสงจากดาวต้องใช้เวลาช่วงหนึ่งจึงจะเดินทางไปถึงเนบิวลา แล้วจึงสะท้อนมายังโลกเข้าสู่กล้อง ดังนั้นแสงดาวที่สะท้อนเนบิวลามาจึงมาถึงโลกช้ากว่าแสงที่มาจากดาวโดยตรง เมื่อนำกราฟความสว่างจากวัตถุทั้งสองมาเปรียบเทียบกัน ก็จะพบว่ามีรูปแบบเหมือนกันกัน แต่เหลื่อมเวลากัน
เมื่อทราบระยะเวลาที่เหลื่อมกัน ก็ทราบทันทีว่าเนบิวลาและดาวอยู่ห่างกันเท่าใด เพราะแสงมีความเร็วคงที่ (300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) และเมื่อทราบระยะทางจริงและระยะทางเชิงมุมแล้ว ก็ย่อมทราบระยะทางระหว่างโลกถึงดาวอาร์เอสท้ายเรือได้ด้วยหลักตรีโกณมิติธรรมดา
การสำรวจนี้พบว่า ดาวอาร์เอสท้ายเรืออยู่ห่างจากโลก 6,500 ปีแสง ผิดพลาดไม่เกิน 90 ปีแสง หรืออยู่ห่างจากโลกประมาณหนึ่งในสี่ของระยะทางจากโลกถึงใจกลางดาราจักรทางช้างเผือก ดาวดวงนี้อยู่ในระนาบของดาราจักรซึ่งเป็นบริเวณที่มีดาวอยู่อย่างหนาแน่น
“ความแม่นยำในการวัดระยะทางของดาวแปรแสงชนิดซีฟิดมีความสำคัญมากในการเทียบค่ามาตรฐานของความสัมพันธ์คาบ-สภาพส่องสว่างของดาวประเภทนี้” เคอร์เวลลากล่าว “ความสัมพันธ์นี้เป็นรากฐานของการวัดระยะทางของดาราจักรด้วยดาวแปรแสงซีฟิดเลยทีเดียว”
