I mer än 400 år har astronomer, både professionella och amatörer, haft ett särskilt intresse av att observera Mira-stjärnor, en klass med variabla röda jättar som är kända för pulsationer som varar i 80-1000 dagar och får deras uppenbara ljusstyrka att variera med en faktor om tio gånger eller mer under en cykel.
Ett internationellt team av astronomer under ledning av Guy Perrin från Paris Observatory / LESIA (Meudon, Frankrike) och Stephen Ridgway från National Optical Astronomy Observatory (Tucson, Arizona, USA) har använt interferometriska tekniker för att observera de nära miljöerna hos fem Mira-stjärnor, och blev förvånade över att upptäcka att stjärnorna är omgivna av ett nästan genomskinligt skal av vattenånga, och eventuellt kolmonoxid och andra molekyler. Detta skal ger stjärnorna en bedrägligt stor uppenbar storlek. Genom att tränga igenom detta lager med hjälp av det kombinerade ljuset från flera teleskop fann teamet att Mira-stjärnorna troligen bara är hälften så stora som tidigare trott.
? Denna upptäckt löser irriterande inkonsekvenser mellan observationer av storleken på Mira-stjärnor och modeller som beskriver deras sammansättning och pulsationer, som nu kan ses att de i allmänhet håller med varandra ,? Ridgway förklarar. ? Den reviderade bilden är att Mira-stjärnorna är väldigt lysande men relativt normala stjärnor i den asymptotiska jättegrenen, men de har en resonanspulsation som driver deras stora variation.
Mira-stjärnor är särskilt intressanta eftersom de liknar storleken som solen och de genomgår ett sent skede av samma evolutionära väg som alla solmassastjärnor, inklusive solen, kommer att uppleva. Därför illustrerar dessa stjärnor vår sols öde fem miljarder år från och med nu. Om en sådan stjärna, inklusive dess omgivande skal, var belägen vid solens position i vårt solsystem, skulle dess ångformiga skal sträcka sig bortom Mars omloppsbana.
Även om de verkligen är mycket stora i diameter (upp till några hundra solradier), är röda jätte- stjärnor pekliknande till obebodda mänskliga ögon på jorden, och till och med de största teleskopen skiljer inte deras ytor. Denna utmaning kan övervinnas genom att kombinera signaler från separata teleskoper med en teknik som kallas astronomisk interferometri som gör det möjligt att studera mycket små detaljer i de nära omgivningarna av Mira-stjärnor. I slutändan kan bilder av de observerade stjärnorna rekonstrueras.
Mira-stjärnor har fått sitt namn efter det första sådana kända objektet, Mira (eller Omicron Ceti). En möjlig förklaring till deras betydande variation är att stora mängder material, inklusive damm och molekyler, produceras under varje cykel. Detta material blockerar mycket av den utgående stjärnstrålningen tills materialet späds ut genom expansion. Den nära miljön för Mira-stjärnor är därför mycket komplex, och egenskaperna hos det centrala objektet är svåra att observera.
För att studera den nära miljön hos dessa stjärnor genomförde teamet under ledning av Perrin och Ridgway observationer vid det infraröda optiska teleskopet Array (IOTA) från Smithsonian Astrophysical Observatory i Arizona. IOTA är en Michelson stellar interferometer, med två armar som bildar en L-formad matris. Det fungerar med tre samlare som kan placeras på olika stationer på varje arm. I den aktuella studien gjordes observationer vid flera våglängder med användning av olika teleskopavstånd från 10 till 38 meter.
Från dessa observationer kunde teamet rekonstruera variationen i stjärnstjärnan över varje stjärnas yta. Detaljer ner till cirka 10 milli-arcsekunder kan upptäckas. Som jämförelse, på månens avstånd, skulle detta motsvara att se funktioner ner till 20 meter i storlek.
Observationerna gjordes med nära infraröda våglängder som är av särskilt intresse för studien av vattenånga och kolmonoxid. Den roll som dessa molekyler spelade misstänktes för några år sedan av teamet och bekräftades oberoende av observationer med Infrared Space Observatory. De nya observationerna med IOTA visar tydligt att Mira-stjärnorna är omgivna av ett molekylskikt av vattenånga och i åtminstone några fall av kolmonoxid. Detta skikt har en temperatur på cirka 2 000 K och sträcker sig till ungefär en stjärnradie ovanför den stellära fotosfären, eller ungefär 50 procent av den observerade diametern för Mira-stjärnorna i provet.
Tidigare interferometriska studier av Mira-stjärnor ledde till uppskattningar av stjärndiametrar som var partiska av närvaron av molekylskiktet, och var därmed mycket överskattade. Detta nya resultat visar att Mira-stjärnorna är ungefär hälften så stora som tidigare trott.
De nya observationerna som presenteras av teamet tolkas inom ramen för en modell som överbryggar klyftan mellan observationer och teori. Utrymmet mellan stjärnans yta och molekylskiktet innehåller mycket troligt gas, som en atmosfär, men det är relativt transparent vid de observerade våglängderna. I synligt ljus är molekylskiktet ganska ogenomskinligt, vilket ger intrycket att det är en yta, men i det infraröda är det tunt och stjärnan kan ses genom den.
Denna modell är den första någonsin som förklarar strukturen hos Mira-stjärnor över ett brett spektralt våglängd från det synliga till mitten-infraröda och för att överensstämma med de teoretiska egenskaperna för deras pulsering. Närvaron av molekylskiktet långt ovanför den stellära ytan är dock fortfarande något mystisk. Skiktet är för högt och tätt för att endast kunna uppbäras av atmosfärstryck. Stjärnans pulsationer spelar förmodligen en roll för att producera molekylskiktet, men mekanismen är ännu inte förstått.
Eftersom Mira-stjärnorna representerar ett sent evolutionsstadium av solliknande stjärnor, kommer det att vara mycket intressant att bättre beskriva processerna som förekommer i och runt dem, som en fördjupning av solens eget förväntade öde i en avlägsen framtid. Mira-stjärnor sprutar ut stora mängder gas och damm i rymden, vanligtvis cirka en tredjedel av jordmassan per år, vilket ger mer än 75 procent av molekylerna i galaxen. Kol, kväve, syre och andra element som vi är gjorda av producerades mest i det inre av sådana stjärnor (med tyngre element som kommer från supernovaer) och återförs sedan till rymden via denna massförlust för att bli en del av nya stjärnor och planeter . Mognadstekniken för interferometri avslöjar detaljer i Mira-atmosfären, och bringar forskare nära att observera och förstå produktionen och utstötningen av molekyler och damm, eftersom dessa stjärnor förnyar sitt innehåll på astronomisk skala.
Papperet? Avslöja Mira stjärnor bakom molekylerna: Bekräftelse av molekylskiktmodellen med smalt band nära infraröd interferometri ,? av Perrin et al., kommer att visas i en kommande nummer av tidskriften Astronomy & Astrophysics.
Originalkälla: NOAO News Release
