Bildkredit: UC Berkeley
University of California, Berkeley, astronomer har utnyttjat ett nyligen monterat laserguidestjärnsystem vid UC: s Lickobservatorium för att få skarpa, glimtfria bilder av de svaga dammiga skivorna från avlägsna massiva stjärnor. Bilderna visar tydligt att stjärnor som är två till tre gånger större än solen bildas på samma sätt som stjärnor av soltyp - inuti ett virvlande sfäriskt moln som kollapsar in i en skiva, som den från vilken solen och dess planeter kom ut.
Den gula laserstrålen som genomborrade himlen över Lick Observatory blev i drift på 10-fots Shane-teleskop förra året och utökade användningen av teleskopets ”gummispegel” -system, kallad adaptiv optik, till hela natten himlen. Tillsatsen av lasern gör Lick till det enda observatoriet som tillhandahåller en laserguidestjärna för rutinmässig användning.
UC Berkeley-teamet och dess kollegor vid UC Santa Cruz Center for Adaptive Optics och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) rapporterar sina resultat i 27 februari-numret av tidskriften Science.
"Paradigmet för stjärnor som vår sol är ett tyngdpunkt av ett moln till en protostar och en pannkakliknande tillslutningsskiva, men det finns en viss massa där detta inte kan fungera - stjärnans ljusstyrka blir tillräcklig för att störa disken, och det faller isär så fort det drar ihop, ”säger James R. Graham, professor i astronomi vid UC Berkeley. "Våra data visar att standardmodelparadigmet fortfarande fungerar för stjärnor två till tre gånger så massivt som solen."
"Utan adaptiv optik skulle vi bara se en stor fuzzy klump från marken och skulle inte kunna upptäcka någon av de fina strukturerna runt källorna," tilllade UC Berkeley doktorand Marshall D. Perrin. "Våra observationer ger starkt stöd för en ny uppfattning om att stjärnor med låg och mellanliggande massor bildas på liknande sätt."
Ett adaptivt optiksystem, som avlägsnar suddighetseffekterna av atmosfärisk turbulens, lades till Licks Shane-teleskop 1996. Men liksom alla andra teleskoper med adaptiv optik idag, inklusive de tvilling 10-meters Keck-teleskopen på Hawaii, har Lick-teleskopet haft att lita på ljusa stjärnor i synfältet för att ge den referens som behövs för att ta bort oskärpa. Endast cirka en till 10 procent av föremålen på himlen är tillräckligt nära en ljus stjärna för att ett sådant "naturligt" styrstjärnsystem ska fungera.
Natriumfärgningslasern, utvecklad av esselaserforskare Deanna M. Pennington och Herbert Friedman från LLNL, slutför slutligen det adaptiva optiksystemet så att astronomer kan använda den för att se någon del av himlen, oavsett om en ljus stjärna är i närheten eller inte.
I bandet på Lick-teleskopet lyser lasern en smal stråle ungefär 60 mil genom den turbulenta zonen in i den övre atmosfären, där laserljuset stimulerar natriumatomer att absorbera och återge av ljus i samma färg. Natriumet kommer från mikrometeoriter som flammar ut och förångas när de kommer in i jordens atmosfär.
Den gula glödande platsen som skapas i atmosfären motsvarar en 9: e storstjärna - ungefär 40 gånger svagare än det mänskliga ögat kan se. Ändå ger den en stadig ljuskälla lika effektiv som en ljus avlägsen stjärna.
”Vi använder det ljuset för att mäta turbulensen i atmosfären över vårt teleskop hundratals gånger per sekund, och använder sedan den informationen för att forma en speciell flexibel spegel på ett sådant sätt att när ljuset, både från lasern och målet du är tittar på, studsar av det, effekterna av turbulensen tas bort, säger Claire Max, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz, biträdande chef för Center for Adaptive Optics och en forskare på LLNL som har arbetat för mer än 10 år för att utveckla ett laserguidestjärnsystem.
I ett av de första testerna av detta system vände Graham och Perrin teleskopet på sällsynta, unga, massiva stjärnor som kallas Herbig Ae / Be-stjärnor som är fuzzy från marken och typiskt för svaga för att kunna avbildas av den naturliga guidstjärnens adaptiva optik. Herbig Ae / Be-stjärnor, med massor mellan 1,5 och 10 gånger solens och antagligen mindre än 10 miljoner år gamla, tros vara början på massiva stjärnor - stjärnor som kommer att hamna som de heta, typ A-stjärnorna Sirius och Vega. Herbig Ae / Be-stjärnor katalogiserades för år sedan av UC Santa Cruz-astronom George Herbig, nu vid University of Hawaii.
De mest massiva av Herbig Ae / Be-stjärnorna är av stort intresse eftersom de är de som genomgår supernovaexplosioner som fröer galaxen med tunga atomer, vilket gör solida planeter och till och med livet möjligt. De utlöser också stjärnbildning i närliggande moln.
Det astronomerna såg var mycket lik den kända bilden av T Tauri-stjärnor, som är de formande stadierna för stjärnor upp till 50 procent större än vår sol och upp till 100 miljoner år gamla. Bilder av de två Herbig Ae / Be-stjärnorna visar tydligt en mörk linje som halverar varje stjärna, orsakad av en skiva som blockerar stjärnans ljusa bländning och en glödande sfärisk halo av damm och gas som omsluter stjärnan och skivan. I varje stjärna kan två strålar med gas och damm tyckas dyka upp från polen på tillskottet.
De två stjärnorna, katalogiserade som LkH (198 och LkH (233 (Lick väte-alfakällor)), är 2 000 respektive 3 400 ljusår bort i en avlägsen region i Vintergalaxen.
"Material från det protostellära molnet kan inte falla direkt i spädbarnsstjärnan, så det landar först i en ackretionsskiva och rör sig bara inåt för att falla på stjärnan efter att den har tappat sin vinkelmoment," förklarade Perrin. ”Den processen med överföring av vinkelmoment, tillsammans med magnetfältets utveckling, leder till att bipolära utflöden lanseras. Dessa utflöden rensar så småningom kuvertet, och lämnar en nyfödd stjärna omgiven av en ackretionsskiva. Under några miljoner år ackrediteras resten av materialet på disken, vilket bara lämnar den unga stjärnan bakom sig. ”
Perrin tillade att Hubble Space Telescope har tillhandahållit "mycket tydliga, otvetydiga bilder av diskar och utflöden runt T Tauri-stjärnor", vilket bekräftar teorier om bildandet av stjärnor som vår sol. Men på grund av den relativa sällsyntheten hos Herbig Ae / Be-stjärnor har sådana tydliga data för dessa stjärnor saknats tills nu, sade han.
Astronomer har föreslagit att mycket massiva stjärnor bildas från kollisionen mellan två eller flera stjärnor, eller i ett turbulent moln till skillnad från den virvlande ackretionsskivan. Intressant nog visade en tredje stjärna som avbildades samma natt av Graham och Perrin visade sig vara två solliknande stjärnor med ett band av gas och damm mellan sig, och ser misstänksamt ut som en stjärna som fångar materia från den andra.
Graham hoppas kunna fotografera mer massiva Herbig Ae / Be-stjärnor för att se om standardstjärnmodellen sträcker sig till ännu större stjärnor. De detaljerade bilderna av Herbig Ae / Be-stjärnorna är lika mycket skyldiga det nya laserguidestjärnsystemet som en nästan infraröd bildpolarimeter byggd av Perrin och läggs till Berkeley Near Infrared Camera (IRCAL) som redan är monterad på teleskopet.
"Utan en polarimeter döljer ljuset från stjärnorna till stor del strukturerna runt dem," sade Perrin. ”Polarimetern separerar opolariserat stjärnbelysning från polariserat spritt ljus från det kringliggande dammet, vilket ökar detekteringen av det dammet. Nu när vi har utvecklat denna teknik på Lick kommer det att vara möjligt att utöka den till 10-meters Keck-teleskop när laserledarstjärnsystemet där blir i drift. "
Polarimetern delar upp ljuset från bilden i dess två polariseringar med en ny typ av dubbelringande kristall gjord av litium, yttrium och fluor (LiYF4), en förbättring jämfört med de kalcitkristaller som hittills använts.
Många andra grupper utvecklar lasrar för att användas som guidestjärnor, men Max: s grupp har gått före sina konkurrenter sedan de först demonstrerade konceptet i början av 1990-talet på Livermore. Sedan dess har hon och kollegor förverkligat lasern och programvaran som gör det möjligt för spegeln - i fallet med Licks 120-tums teleskop, en 3-tums sekundärspegel i huvudteleskopet - att böjas precis för att ta bort glimt från stjärnorna.
11–12-watt-lasern är en natriumfärgnings-laser som är inställd på den frekvens som kommer att väcka de kalla natriumatomerna i atmosfären. Färglasern pumpas av en grön neodym-YAG-laser, en större bror till de lätt tillgängliga gröna milliwatt-laserpekarna.
"Anledningen till att vi nu kan göra vetenskap med laserguidestjärnsystemet är att dess tillförlitlighet och användbarhet är så mycket förbättrad," sa Graham. "Lasern öppnar upp adaptiv optik för ett mycket större samhälle."
"Jag tror att det kommer att bli ett arbetshästinstrument hos Lick," tilllade Max. ”Själva lasern och det adaptiva optiska systemhårdvaran är ganska stabil och ganska robust. Det som kommer att hända nu är att människor kommer att göra astronomi med det, de kommer att utveckla nya tekniker för att observera med det, prova det på nya typer av objekt. På ett typiskt sätt kommer en bra astronom att komma och göra saker med ditt instrument som du aldrig föreställde dig. ”
Max och hennes kollegor har testat ett identiskt laserguidestjärnsystem vid Keck Telescopes på Hawaii, men det är ännu inte klart för rutinmässigt bruk, sade hon.
"Keck använder samma teknik som vi har på Lick," sa Max. ”Jag räknar med att se den allmänna tekniken som används på de flesta teleskop, men med olika typer av lasrar. Människor uppfinner nya typer av lasrar höger och vänster, så jag tror att det spelet återstår att lösa sig ut. ”
Andra författare till Science-dokumentet, bortsett från Graham, Perrin, Max och Pennington, är anslutna till National Science Foundation: s Center for Adaptive Optics, centrerat vid UC Santa Cruz: assisterande forskningsastronom Paul Kalas från UC Berkeley, James P. Lloyd från California Institute of Technology, Donald T. Gavel från UC Santa Cruz's Laboratory for Adaptive Optics, och Elinor L. Gates från UC Observatories / Lick Observatory.
Observationerna och utvecklingen av laserguidestjärnan finansierades av National Science Foundation och U.S. Department of Energy.
Originalkälla: UC Berkeley News Release
