Pressmeddelande

Spiral i rymden överraskar astronomer

Teleskopet ALMA avslöjar en döende stjärnas hemligheter

10 oktober 2012

Med hjälp av teleskopet ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) har astronomer upptäckt en helt oväntad spiral i rymden. Spiralstrukturen finns i materian som omger den gamla stjärnan R Sculptoris. Det är första gången som en sådan struktur, tillsammans med ett sfäriskt yttre skal, har hittats runt en röd jättestjärna. Det är också första gången som astronomer har kunnat samla information om hur en sådan spiral ser ut i tre dimensioner. Den underliga formen skapades troligen av en hittills okänd stjärna som kretsar kring den röda jätten. Studien publiceras i veckans nummer av tidskriften Nature och är en av de första upptäckterna som gjorts med ALMA.

Ett forskarteam som använt ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), världens mest kraftfulla teleskop för ljus med våglängd kring en millimeter, har gjort en överraskande upptäckt: en spiralstruktur i gasen runt den röda jätten R Sculptoris [1][2][3]. Upptäckten av spiralen tyder på att stjärnan egentligen är en dubbelstjärna: runt den kretsar en hittills okänd kompanjon [4]. Ännu en överraskning för astronomerna var att den röda jätten har kastat långt mycket mer materia i rymden än vad man tidigare trott.

Matthias Maercker är astronom vid ESO och Argelander-institutet för astronomi vid Bonns universitet i Tyskland.

- Vi har sett runda skal av materia runt sådana här stjärnor förut. Men det här är första gången någonsin som vi sett både ett yttre skal och en spiral som utgår från stjärnan, säger han.

Röda jättestjärnor som R Sculptoris blåser stora mängder material ut i rymden. De bidrar starkt till de mängder av stoft, damm och gas som utgör råmaterialet för nya generationer av stjärnor, planetsystem - och så småningom även liv.

Trots att ALMA ännu inte var färdigbyggt då observationerna gjordes lyckades teleskopet ändå prestera långt bättre än andra observatorier för submillimeterljus. Tidigare observationer hade tydligt visat ett sfäriskt skal runt R Sculptoris. Men vare sig spiralstrukturen eller någon kompanjonstjärna har skymtats tidigare.

Wouter Vlemmings, astronom vid Chalmers och Onsala rymdobservatorium, är medförfattare till studien.

- När vi observerade stjärnan med ALMA fanns inte ens hälften av teleskopets antenner på plats. Det är riktigt spännande att föreställa sig vad ALMA kommer att kunna göra när hela antennuppställningen är klar 2013, säger han.

Stjärnor med massa upp till 8 gånger solens blir röda jättar när de blir gamla. Då tappar de en stor del av sin massa i täta stjärnvindar. När en stjärna genomgår detta stadium kallas den en röd jätte. Röda jättar drabbas av så kallade termiska pulser. Under dessa kortlivade faser bränner stjärnan helium på ett våldsamt sätt i ett skal djupt inne i stjärnans kärna. När en termisk puls inträffar leder den till att materia kastas ut från stjärnans yta i allt högre takt, och ett stort skal av stoft och gas bildas runt stjärnan. Efter varje puls återgår takten med vilken stjärnan tappar vikt till det normala.

Sådana termiska pulser återkommer med 10 000 till 50 000 års mellanrum, och varje puls varar i bara ett par hundra år. De nya observationer av R Sculptoris visar att stjärnan drabbades av en termisk puls för 1800 år sedan som varade i cirka 200 år. Det var då som kompanjonstjärnan började forma vinden från R Sculptoris och skapade spiralstrukturen.

- Styrkan med ALMA är att det gör att vi kan se finare detaljer än någonsin tidigare. Genom att studera spiralstrukturen kan vi få en bättre förståelse för vad som händer med stjärnan före, under och efter den termiska pulsen. Vi väntade oss att ALMA skulle ge oss en ny bild av universum, men att vi upptäcker nya oväntade saker redan med några av teleskopets första observationer är väldigt roligt, säger Maercker.

För att kunna förstå strukturen som de sett runt R Sculptoris har astronomteamet genomfört datorsimuleringar som följer hur dubbelstjärnan utvecklas med tiden [5]. Datamodellerna stämmer väl överens med de nya ALMA-observationerna.

Shazrene Mohamed, astrofysiker vid det Sydafrikanska astronomiska observatoriet, är medförfattare till studien.

- Det är en rejäl utmaning att teoretiskt beskriva alla detaljer som ALMA ger oss, men våra datormodeller visar att vi är på rätt spår. ALMA ger oss nya insikter både om vad som händer i stjärnor som den här och om vad som kan hända solen ett par miljarder år i framtiden, säger hon.

- Inom den närmaste framtiden kommer observationer av stjärnor som R Sculptoris att hjälpa oss att förstå hur de grundämnen som vi är uppbyggda av en gång nådde ställen som just jorden. De ger oss dessutom en aning om hur vår egen stjärnas avlägsna framtid kan se ut, avslutar Matthias Maercker.

Noter

[1] R Sculptoris är en så kallad AGB-stjärna, där AGB står för ”asymptotic giant branch”, den asymptotiska jättegrenen i stjärnornas släktträd, Hertzsprung-Russell-diagrammet. Dessa är gamla stjärnor som började livet med en massa på mellan 0,8 och 8 gånger solens. De är relativt svala, röda jättestjärnor vars kraftiga stjärnvindar gör att de tappar massa i hög takt. På stjärnhimlen framträder de som variabla stjärnor vars ljusstyrka varierar långsamt men regelbundet. I mitten av en sådan stjärna finns en mycket liten kärna av kol och syre som är omgiven av ett tjockare skal där väte och helium förbränns i kärnreaktioner. Skalet omges i sin tur av ett utsträckt hölje där konvektion transporterar energi utåt. Solen kommer så småningom att utvecklas till en AGB-stjärna.

[2] Skalen som AGB-stjärnor kastar ut består av gas och stoftkorn. Stoftkornen kan upptäckas tack vare deras värmestrålning som ger sig till känna som ljus med våglängder mellan långvågigt infrarött och millimetervågor. Med teleskop som är känsliga för millimetervågor kan astronomer fånga upp strålning från molekyler av kolmonoxid (CO) runt stjärnorna. Det gör det möjligt för dem att skapa kartor i hög upplösning av gasen i stjärnornas kraftfulla vindar. Med sådana observationer kan man spåra hur gasen runt stjärnorna ligger utspridd i rymden. ALMA:s höga känslighet gör dessutom att kan man direkt avbilda områden runt stjärnan där stoft kondenserar och på så sätt avslöja vad materian runt stjärnan har för struktur. Med ALMA kan man se detaljer så fina som 0,1 bågsekund.

[3] En liknande spiral utan omgivande skal sågs av Hubbleteleskopet när det observerade stjärnan LL Pegasi. Till skillnad från de nya ALMA-observationerna kunde dessa mätningar inte visa upp spiralens struktur i tre dimensioner. Hubblebilderna visar upp stoftet medan ALMA istället mäter strålning från molekyler i gasen.

[4] Att stjärnorna egentligen är dubbla har lanserats som en förklaring för underliga former som setts i relaterade objekt, de planetariska nebulosorna. Efter en tid som AGB-stjärna slutar stjärnor med massa mellan 0,8 och 8 solmassor sina liv som planetariska nebulosor. Dessa är resterna efter stjärnans hölje som den kastar ut i rymden under sin tid som AGB-stjärna. Gasen som kastats ut lyser därför att den joniseras av ultraviolett strålning från stjärnan i mitten. Många planetariska nebulosor har komplexa och varierande former som ännu väntar på sin förklaring. Dubbelstjärnor, magnetfält och skivor av materia runt stjärnan är några olika förslag till förklaringar för vad som ligger bakom nebulosornas olika former.

[5] I forskarnas modell ingår en AGB-stjärna som genomgår en termisk puls. Runt den kretsar en annan, mindre stjärna på ett avstånd på 60 au (60 gånger avståndet mellan jorden och solen) och med en period på 350 år. Tillsammans väger stjärnorna två gånger mer än solen.

Mer information

Forskningsresultaten presenterades i en artikel, “Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris”, av Maercker m. fl. som publiceras i tidskriften Nature.

Teamet består av M. Maercker (ESO; Argelander-institutet för astronomi, Bonns universitet, Tyskland), S. Mohamed (Argelander-institutet för astronomi; South African Astronomical Observatory, Sydafrika), W. H. T. Vlemmings (Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, Sverige), S. Ramstedt (Argelander-institutet och Uppsala universitet), M. A. T. Groenewegen (Belgiens kungliga observatorium, Bryssel, Belgien), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Institutionen för astronomi, Wiens universitet, Österrike), M. Lindqvist (Onsala rymdobservatorium), H. Olofsson (Onsala rymdobservatorium), C. Paladini (Institutionen för astronomi, Wiens universitet, Österrike), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Chile) samt L.-Å. Nyman (Joint ALMA Observatory).

År 2012 är det 50 år sedan Europeiska sydobservatoriet (ESO) grundades. ESO är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 15 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop: VISTA, som observerar infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop, samt VST, det största teleskopet som konstruerats för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO bidrar dessutom till ALMA, ett revolutionerande astronomiskt teleskop och världens hittills största astronomiska projekt. ESO planerar för närvarande bygget av 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus E-ELT (Europeiska extremt stora teleskopet). Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

ALMA är en internationell anläggning för astronomi och är ett samarbete mellan Europa, Nordamerika och Ostasien i samverkan med Chile. I Europa stöds ALMA av ESO, i Nordamerika av US National Science Foundation (NSF) i samarbete med Kanadas National Research Council (NRC) samt av Taiwans Nationella vetenskapsråd (NSC), i Ostasien av Nationella instituten för naturvetenskap (NINS) i Japan i samarbete med Academia Sinica (AS) i Taiwan. Bygget och driften av ALMA leds för Europas del av ESO, för Nordamerika av National Radio Astronomy Observatory (NRAO), som drivs av Associated Universities, Inc. (AUI), och för Ostasien av Nationella astronomiska observatoriet i Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) ger gemensam ledning och gemensam organisation för bygget, driftsättning och drift av ALMA.

ALMA-observatoriet kommer att invigas den 13 Mars 2013.

Länkar

• Forskningsartikeln i Nature
• Mer om ALMA hos ESO 
• The Joint ALMA Observatory

Kontakter

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

Wouter Vlemmings
Onsala Space Observatory
Chalmers University of Technology, Sweden
Tel: +46 31 772 5509
Mobil: +46 733 544 667
E-post: wouter.vlemmings@chalmers.se

Shazrene S. Mohamed
Postdoctoral Research Fellow
South African Astronomical Observatory, Cape Town, South Africa
Tel: +27 21 447 0025 ext 7025
Mobil: +27 729 661 707
E-post: shazrene@saao.ac.za

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

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1239 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.