Lehdistötiedote

ALMA havaitsi yllättävän spiraalirakenteen

Uudet havainnot paljastavat kuolevan tähden salaisuudet

10. lokakuuta 2012

ALMA:a (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) käyttävät tähtitieteilijät ovat löytäneet täysin odottamattoman spiraalirakenteen vanhaa R Sculptoris -tähteä ympäröivästä materiasta. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tällainen ulomman pallokuoren käsittävä rakenne on havaittu punaisen jättiläistähden ympäriltä. Tämä on myös ensimmäinen kerta, kun tähtitieteilijät saivat tehtyä täysin kolmiulotteiset mittaukset tällaisesta spiraalista. Outo muoto johtunee punaista jättiläistä kiertävästä, näkymättömästä tähtikumppanista. Tämä tutkimus on yksi ensimmäisiä ALMA:n varhaisen tiedevaiheen julkaistuja tuloksia ja se ilmestyy tiedejulkaisu Naturessa tällä viikolla.

Maailman tehokkainta millimetri- ja alimillimetrialueen teleskooppia, ALMA:a (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) käyttänyt tutkimusryhmä on havainnut yllättävän spiraalirakenteen punaista jättiläistähteä R Sculptoris ympäröivässä kaasussa [1][2][3]. Tämä tarkoittaa sitä, että tähteä luultavasti kiertää aikaisemmin havaitsematon tähtikumppani [4]. Tähtitieteilijät hämmästyivät myös sitä, että punainen jättiläinen on syössyt avaruuteen paljon oletettua enemmän materiaalia.

"Olemme nähneet kuorirakenteita tämänkaltaisten tähtien ympärillä ennenkin, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun näemme tähdestä ulos tulevan materiaalispiraalin yhdessä ympäröivän kuoren kanssa," sanoo tutkimustuloksia esittelevän julkaisun pääkirjoittaja, Matthias Maercker (ESO and Argelander Institute for Astronomy, Bonnin yliopisto, Saksa).

R Sculptoris -tähden kaltaiset punaiset jättiläiset ovat tulevaisuuden tähtisukupolvien, planeettajärjestelmien ja siten elämän muodostamiseen tarvittavia raaka-aineita käsittävän tomun ja kaasun pääasiallisia tuottajia, koska ne syöksevät avaruuteen suuria määriä materiaa.

ALMA päihittää suuresti muut alimillimetrialueen observatoriot jopa varhaisen tiedevaiheen aikana, jolloin nämä uudet havainnot on tehty. Aiemmat havainnot olivat selvästi osoittaneet R Sculptoris -tähden ympärillä olevan pallokuoren olemassaolon, mutta sen paremmin spiraalirakennetta kuin tähtikumppaniakaan ei ollut löydetty.

"Kun havaitsimme tähteä ALMA:lla, siinä oli vasta alle puolet antenneistaan. On todella jännittävää kuvitella, mitä täysi ALMA-sarja saa aikaiseksi, kun se valmistuu vuonna 2013," lisää Wouter Vlemmings (Chalmers University of Technology, Sweden), tutkimuksen kanssakirjoittaja.

Myöhäisessä vaiheessa elämäänsä korkeintaan kahdeksan auringon massaiset tähdet muuttuvat punaisiksi jättiläisiksi ja menettävät suuren osan massaansa tiheän aurinkotuulen mukana. Punaisen jättiläisvaiheen aikana tähdet sykkivät myös säännöllisiä termisiä pulsseja. Nämä ovat nopeita, räjähdysmäisiä heliumin fuusioreaktioita tähden ydintä ympäröivässä kuoressa. Terminen pulssi johtaa materian räjähtämiseen tähden pinnalta paljon suuremmassa määrin, mistä seuraa laajan tomusta ja kaasusta koostuvan kuoren muodostuminen tähden ympärille. Pulssin jälkeen tähden massanmenetysvauhti putoaa jälleen normaalitasolleen.

Termiset pulssit tapahtuvat noin 10 000 - 50 000 vuoden välein ja kestävät vain joitakin satoja vuosia. Uudet havainnot R Sculptoris -tähdestä osoittavat, että se koki noin 200 vuotta kestäneen termisen pulssin noin 1800 vuotta sitten. Tähtikumppani muotoili R Sculptoris -tähden aurinkotuulen spiraalimuotoon.

"Hyödyntämällä ALMA:n tehokkuutta nähdä pieniä yksityiskohtia voimme ymmärtää paljon paremmin mitä tapahtuu tähdelle ennen termistä pulssia, sen aikana ja sen jälkeen tutkimalla kuinka kuori ja spiraalirakenne muodostuvat," sanoo Maercker. "Odotimme aina ALMA:n tarjoavan meille uuden näköalan maailmankaikkeuteen, mutta jo ensimmäisten havaintojen osoittautuminen näin odottamattomia löytöjä tuottaviksi on todella jännittävää."

Selittääkseen R Sculptoris -tähteä ympäröivän rakenteen tähtitieteilijäryhmän piti myös suorittaa tietokonesimulaatioita selvittääkseen kaksoistähtijärjestelmän evoluutiota [5]. Nämä tietokonemallit sopivat uusiin ALMA-havaintoihin erittäin hyvin.

"On todellinen haaste selittää teoreettisesti kaikki ALMA:n havaitsemat yksityiskohdat, mutta tietokonemallimme osoittavat, että olemme oikeilla jäljillä. ALMA antaa meille uutta näkemystä siihen, mitä näissä tähdissä tapahtuu ja mitä saattaa tapahtua Auringolle jokusen miljardin vuoden kuluttua," sanoo Shazrene Mohamed (Argelander Institute for Astronomy, Bonn, Saksa ja South African Astronomical Observatory), tutkimuksen kanssakirjoittaja.

"Lähitulevaisuudessa R Sculptoriksen kaltaisten tähtien tutkimukset ALMA:lla auttavat meitä ymmärtämään kuinka meidät koostaneet alkuaineet päätyivät Maapallon kaltaisiin paikkoihin. Ne antavat meille myös aavistuksen siitä millainen meidän oman tähtemme kaukainen tulevaisuus saattaa olla," päättää Matthias Maercker.

Lisähuomiot

[1] R Sculptoris on esimerkki asymptoottisen jättiläishaaran tähdestä (AGB, asymptotic giant branch). Nämä ovat alunperin 0.8 ja 8 auringon massaisia tähtiä elämänsä viimevaiheissa. Ne ovat viileitä, punaisia jättiläisiä, jotka menettävät nopeasti massaansa voimakkaan aurinkotuulen myötä. Ne ovat tyypillisesti myös pitkäjaksoisia muuttuvia tähtiä. Niiden rakenne koostuu pikkuruisesta hiilen ja hapen ytimestä, jota ympäröi heliumia ja vetyä fuusioiva kuori ja edelleen suunnaton konvektiovyöhyke. Auringosta tulee ennen pitkää AGB-tähti.

[2] AGB-tähtien ympärille muodostuva kuorirakenne koostuu kaasusta ja tomuhiukkasista. Tomuhiukkaset voidaan havaita tutkimalla lämpösäteilyä kaukaisesta infrapunasäteilystä millimetriaallonpituuksiin. Millimetriaallonpituuksilla CO-molekyylien säteily mahdollistaa tähtitieteilijöiden mitata suuren resoluution karttoja kaasun säteilystä voimakkaassa AGB-tähtien muodostamassa aurinkotuulessa. Nämä havainnot jäljittävät myös tehokkaasti kohteita ympäröivän kaasun rakennetta. ALMA:n suuren herkkyyden ansiosta on mahdollista kuvata suoraan kaasun tiivistymisvyöhykettä ja AGB-tähtiä ympäröivän materian rakennetta tarkkuudella, joka on parempi kuin 0.1 kaarisekuntia.

[3] Samanlainen spiraali, ilman ympäröivää kuorta, on nähty NASA:n ja ESA:n Hubblen avaruusteleskoopin havainnoissa LL Pegasi -tähdestä. Toisin kuin uusissa ALMA-havainnoissa, nämä havainnot eivät mahdollistaneet täyden kolmiulotteisen rakenteen tutkimista. Hubblen havainnot löysivät tomua ja ALMA:n molekyylien säteilyä.

[4] Näkymättömiä kaksoistähtiä on ehdotettu myös selityksiksi vastaavankaltaisissa kohteissa, planetaarisissa sumuissa, havaituille oudoille muodoille. AGB-vaiheen jälkeen pieni- ja keskimassaiset tähdet (0.8–8 auringon massaa) päättävät elämänsä muodostamalla planetaarisen sumun. Nämä ovat tähtien AGB-vaiheen aikana avaruuteen syösseiden uloimpien kaasukerrosten hohtavia jäänteitä, jotka keskustähden ultraviolettisäteily on ionisoinut. Useilla planetaarisilla sumuilla on erittäin monimutkainen ja vaihteleva morfologia. Kaksoistähtijärjestelmiä, tähtien kiekkoja ja magneettikenttiä on ehdotettu näitä vaihtelevia muotoja tuottaviksi mekanismeiksi.

[5] Tässä mallinnettu järjestelmä koostuu AGB-päätähdestä, jossa on meneillään terminen pulssi, ja pienestä tähtikumppanista. Tähtien välimatka simulaatiossa on 60 tähtitieteellistä yksikköä ja järjestelmän kokonaismassa kaksi auringon massaa. Kiertoajan pituus on 350 vuotta.

Lisätietoa

Tämä tutkimus esitettiin tieteellisessä artikkelissa “Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris”, kirjoittajinaan Maercker et al. Artikkeli ilmestyy tiedejulkaisussa Nature.

Tutkimusryhmään kuuluvat M. Maercker (ESO; Argelander Institute for Astronomy, Bonnin yliopisto, Saksa), S. Mohamed (Argelander Institute for Astronomy; South African Astronomical Observatory, Etelä-Afrikka), W. H. T. Vlemmings (Onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Onsala, Ruotsi), S. Ramstedt (Argelander Institute), M. A. T. Groenewegen (Royal Observatory of Belgium, Brysseli, Belgia), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Department of Astronomy, Wienin yliopisto, Itävalta), M. Lindqvist (Onsala Space Observatory), H. Olofsson (Onsala Space Observatory), C. Paladini (Department of Astronomy, Wienin yliopisto, Itävalta), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Yhteinen ALMA-observatorio, Chile) and L. A. Nyman (Yhteinen ALMA-observatorio).

Euroopan eteläinen observatorio (ESO) viettää vuonna 2012 perustamisensa 50-vuotisjuhlaa. ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, vallankumouksellisen ALMA-teleskoopin eurooppalainen yhteistyökumppani. Parhaillaan ESO suunnittelee 39-metrin kokoista optisen/lähi-infrapuna-alueen European Extremely Large -teleskooppia (E-ELT) josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) on yhteistyöhanke johon osallistuvat Eurooppa, Pohjois-Amerikka ja Itä-Aasia yhteistyössä Chilen kanssa. ALMA:a rahoittavat Euroopassa Euroopan eteläinen observatorio (ESO), Pohjois-Amerikassa Yhdysvaltain kansallinen tiedesäätiö (NSF) yhteistyössä Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston (NRC) ja Taiwanin kansallisen tiedeneuvoston (NSC) kanssa, ja Itä-Aasiassa Japanin kansalliset luonnontieteelliset instituutit (NINS) yhteistyössä Taiwanin Academia Sinican (AS) kanssa. ALMA:n rakentamista ja toimintaa ohjaa Euroopan osalta ESO, Pohjois-Amerikan osalta Kansallinen radiotähtitieteen observatorio (NRAO), jota hallinnoi Associated Universities, Inc. (AUI), ja Itä-Aasian osalta Japanin Kansallinen tähtitieteellinen observatorio (NAOJ). Yhteinen ALMA-observatorio (JAO) huolehtii ALMA:n rakentamisen, kokoonpanon ja operaation yhtenäisestä johdosta ja hallinnoinnista.

ALMA-observatorio vihitään virallisesti käyttöön 13. maaliskuuta 2013.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu Naturessa
• Lisää ALMA:sta ESO:n sivuilla
• Yhteinen ALMA-observatorio

Yhteystiedot

Matthias Maercker
ESO ALMA Cofund Fellow
Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Germany
Puh.: +49 228 735768
Matkapuhelin: +49 176 706 21 632
Sähköposti: maercker@astro.uni-bonn.de

Wouter Vlemmings
Onsala Space Observatory
Chalmers University of Technology, Sweden
Puh.: +46 31 772 5509
Matkapuhelin: +46 733 544 667
Sähköposti: wouter.vlemmings@chalmers.se

Shazrene S. Mohamed
Postdoctoral Research Fellow
South African Astronomical Observatory, Cape Town, South Africa
Puh.: +27 21 447 0025 ext 7025
Matkapuhelin: +27 729 661 707
Sähköposti: shazrene@saao.ac.za

Douglas Pierce-Price
Public Information Officer, ESO
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6759
Sähköposti: dpiercep@eso.org

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media