Stellaire parallax

Stellaire parallax is de schijnbare verschuiving in positie (parallax) na een verplaatsing van de waarnemer van een nabije ster (of een ander object) tegen de achtergrond van ver verwijderde sterren. Omgekeerd wordt de methode om de afstand van een ster te bepalen door trigonometrie de stellaire parallaxmethode genoemd. Wegens de baanbeweging van de aarde rond de Zon is de waargenomen verschuiving in positie het grootst bij een tijdsinterval van ongeveer zes maanden. Dan bevindt de aarde zich op tegenoverliggende posities ten opzichte van de Zon met een verschil in positie (basislijn) van twee astronomische eenheden (AE). De parallax zelf is gedefinieerd als de helft van dit maximum, bij een basislijn van een AE.

Een parsec is afstand van de Zon tot een astronomisch object dat een stellaire parallax P heeft van een boogseconde (1 astronomische eenheid (AU) en 1 parsec zijn niet op schaal getekend).

Een stellaire parallax is zo moeilijk te meten dat het bestaan ervan gedurende honderden jaren een onderwerp van discussie was. Thomas James Henderson, Friedrich Georg Wilhelm Struve, en Friedrich Bessel verkregen de eerste succesvolle metingen van de parallax tussen 1832 en 1838 voor de sterren Alpha Centauri, Wega, en 61 Cygni.

Meting van de jaarlijkse parallax was de eerste betrouwbare manier om de afstand van de meest nabije sterren te bepalen.

Geschiedenis

Vroege theorie en meetpogingen

Een heliometer gemaakt door de firma van John Dollond aan het eind van de achttiende eeuw

Een stellaire parallax is zo klein dat deze niet waarneembaar was tot de negentiende eeuw, en de schijnbare afwezigheid van een meetbare parallax werd tijdens de vroegmoderne tijd gebruikt als een wetenschappelijk argument tegen het heliocentrische model. Het is duidelijk uit de meetkunde van Euclides van Alexandrië dat het effect niet detecteerbaar zou zijn als de afstand van de sterren groot genoeg was, maar om verschillende redenen leken zulke enorme afstanden totaal ongeloofwaardig. Het was een van de belangrijkste bezwaren van Tycho Brahe tegen het heliocentrisch model van Nicolaas Copernicus dat er om verenigbaar te zijn met het ontbreken van een waarneembare parallax een enorme en onwaarschijnlijke lege ruimte zou zijn tussen de baan van Saturnus en de achtste bol met de vaste sterren.

James Bradley probeerde in 1729 de stellaire parallax te meten. De verschuiving van de gemeten sterren aan de hemel bleek te klein voor zijn telescoop, maar inplaats daarvan ontdekte hij de aberratie van het licht en de nutatie van de aardas en maakte een stercatalogus met 3222 sterren.

19e en 20e eeuw

De heliometer van Bessel

De gespleten lens van het objectief van de heliometer van de sterrenwacht van Bamberg (eind 19e eeuw)

Diagram van een heliometer uit de Encyclopædia Britannica van 1911 met de gespleten lens van een heliometer

Giuseppe Calandrelli bepaalde in 1805-6 een parallax van Wega van 4 boogseconden, wat een grote overschatting was. In het tweede kwart van de 19e eeuw was de technologische vooruitgang groot genoeg om stellaire parallaxen met voldoende nauwkeurigheid te kunnen meten.

De eerste succesvolle metingen van een stellaire parallax werden gedaan door Thomas James Henderson in Kaapstad in 1832–1833 van een van de meest nabije sterren, Alpha Centauri A en B.^[1] Hij bepaalde een gemiddelde parallax van 1,16 boogseconde (de huidige waarde is 0,75 boogseconde). Tussen 1835 en 1836 deed Friedrich Georg Wilhelm von Struve in de Oude sterrenwacht van Tartu metingen van de afstand van Wega en publiceerde zijn resultaten in 1837.^[2] Friedrich Bessel, een vriend van Struve, deed in 1837–1838 waarnemingen met een heliometer in de Sterrenwacht van Koenigsberg van de ster 61 Cygni en publiceerde zijn resultaten in 1838.^[3] Henderson publiceerde zijn resultaten in 1839 na zijn terugkeer uit Zuid-Afrika.

Deze drie resultaten waren de eerste betrouwbare metingen van de afstand van sterren. Twee van de metingen werden gedaan met de beste instrumenten die toen beschikbaar waren (de grote refractor van Joseph von Fraunhofer en de Fraunhofer heliometer).

Omdat parallaxen zeer moeilijk te meten zijn waren slechts ongeveer 60 bepalingen gedaan aan het eind van de 19e eeuw, de meeste ervan met een draadmicrometer. In 1896 werd een grote heliometer geinstalleerd in de Kuffner Sterrenwacht in Wenen die werd gebruikt om de afstand van andere sterren te bepalen uit hun parallax. In 1910 waren daar 16 parallaxen bepaald van de 108 die toen bekend waren.

Astrografen met fotografische platen versnelden het proces in het begin van de 20e eeuw, vooral na de ontwikkeling van automatische meetmachines van fotografische platen na 1960. In de jaren 1980 vervingen CCDs de fotografische platen en de meetfouten werden verkleind tot een milliboogseconde.

Metingen van parallaxen van sterren blijven de basis om andere meetmethoden van hemellichamen te kalibreren (de kosmische afstandsladder). Daarbij is een nauwkeurige bepaling van de afstand van de aarde tot de Zon nodig, die nu bekend is door middel van radarmetingen van planeten.

Ruimteastrometrie

In 1989 werd de satelliet Hipparcos gelanceerd om parallaxen en eigenbewegingen van nabije sterren te bepalen. Het aantal sterren waarvan de parallax tot op een milliboogseconde nauwkeurig was bepaald nam toe met een factor duizend. Echter Hipparcos was slechts in staat de parallax van sterren te meten tot een afstand van ongeveer 1600 lichtjaar, iets meer dan een procent van de afstand tot het Galactisch centrum.

De ruimtetelescoop Hubble (WFC3) heeft een precisie van 20 tot 40 microboogseconden waarmee betrouwbare afstandsmetingen verkregen kunnen worden van een klein aantal sterren tot 10.000 lichtjaar.^[4]

De parallax van Proxima Centauri waargenomen door New Horizons en vanaf de aarde

Wanneer de afstand tussen twee waarneemstations toeneemt, wordt het effect van de parallax beter zichtbaar. De satelliet New Horizons van NASA verrichtte de eerste interstellaire parallaxmeting op 22 april 2020 toen opnamen gemaakt werden van Proxima Centauri en Wolf 359 samen met observatoria op aarde. De relelatief kleine afstand tot beide sterren, samen met de afstand van de satelliet tot de aarde van 6,5 miljard kilometer (ongeveer 43 AE) resulteerde in een parallax van enkele boogminuten die zichtbaar was zonder instrument.^[5]

De ruimtetelescoop Gaia van ESA die gelanceerd is op 19 december 2012 kan parallaxen meten met een nauwkeurigheid van 7 microboogseconde voor sterren met een schijnbare magnitude tussen 3 en 12. Voor magnitude 15 is de nauwekeurigheid 27 microboogseconden en voor magnitude 20 ongeveer 200 microboogseconden. Zo kunnen de afstanden van sterren in kaart gebracht worden tot tienduizenden lichtjaar.^[6].

Radio-astrometrie

Very-long-baseline interferometry met radiotelescopen kunnen resulteren in kaarten met een oplossend vermogen van ongeveer 1 milliboogseconde. Daarmee kunnen dan parallaxen gemeten worden met een nauwkeurigheid van 1 microboogseconde, beter dan met Gaia bereikbaar is.^[7] De metingen worden echter gelimiteerd door de gevoeligheid en kunnen slechts voor een enkele bron tegelijk gemaakt worden. Bronnen die zo gemeten worden zijn masers, pulsars, en röntgendubbelsterren.