Ett team av astronomer använde nyligen Arizona's Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) av tre länkade teleskop för att kika i fyra miljarder år framöver, när vår Sun ballonger upp för att bli en röd jättestjärna. De observerade flera röda jättestjärnor - vår solens eventuella öde - och upptäckte att deras ytor var fläckiga och varierade, täckta med enorma solfläckar.
När astronomer i allt högre grad kopplar samman två teleskoper som interferometrar för att avslöja större detalj av avlägsna stjärnor, visar en Keck-observatorium astronomer kraften att koppla samman tre eller ännu fler teleskoper.
Astronomen Sam Ragland använde Arizona's Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) av tre länkade teleskop för att få en aldrig tidigare skådad detalj av gamla röda jättestjärnor som representerar Solens eventuella öde.
Överraskande fann han att nästan en tredjedel av de röda jättarna som han undersökte inte var jämnt ljusa över deras ansikte, men var ojämn, kanske indikerar stora fläckar eller moln som är analoga med solfläckar, chockvågor genererade av pulserande kuvert eller till och med planeter.
"Den typiska tron är att stjärnor måste vara symmetriska gasbollar," säger Ragland, en interferometerspecialist. "Men 30 procent av dessa röda jättar visade asymmetri, vilket har konsekvenser för de sista stadierna av stellarutvecklingen, när stjärnor som solen utvecklas till planetariska nebulosa."
De resultat som Ragland och hans kollegor erhållit bevisar också genomförbarheten av att koppla en trio - eller till och med kvintett eller sextett - av infraröda teleskop för att få högre upplösningsbilder i den nära infraröda än vad som har varit möjligt tidigare.
"Med mer än två teleskoper kan du utforska en helt annan typ av vetenskap än vad som kan göras med två teleskop," sade han.
"Det är ett stort steg att gå från två teleskoper till tre," tillade teoretiker Lee Anne Willson, en medförfattare till studien och professor i fysik och astronomi vid Iowa State University i Ames. "Med tre teleskoper kan du inte bara berätta hur stor stjärnan är, utan om den är symmetrisk eller asymmetrisk. Med ännu fler teleskop kan du börja förvandla det till en bild. ”
Ragland, Willson och deras kollegor vid institutioner i USA och Frankrike, inklusive NASA, rapporterade sina observationer och slutsatser i en artikel som nyligen accepterats av The Astrophysical Journal.
Ironiskt nog fungerade IOTA-teleskopuppsättningen gemensamt på Mt. Hopkins från Smithsonian Astrophysical Observatory, Harvard University, University of Massachusetts, University of Wyoming och Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory stängdes 1 juli för att spara pengar. Den första två-teleskopinterferometern gick online 1993 och tillägget av ett tredje 45 centimeter teleskop 2000 skapade den första optiska och infraröda interferometertrioen.
IOTA-direktören Wesley A. Traub, tidigare från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och nu på Jet Propulsion Laboratory, erbjöd Ragland och hans kollegor möjligheten att använda matrisen för att testa gränserna för interferometri med flera teleskop, och kanske lära sig något om solens öde.
Interferometrar kombinerar ljus från två eller flera teleskop för att se mer detaljer, och simulerar upplösningen för ett teleskop så stort som avståndet mellan teleskopet. Medan radioastronomer har använt matriser i flera år för att simulera mycket större teleskop, har de fördelen med relativt långa våglängder - meter eller centimeter - vilket gör det lättare att upptäcka skillnader i våglängd mellan ljusets ankomsttider vid separerade teleskoper. Att göra interferometri i den nästan infraröda - vid en våglängd av 1,65 mikron, eller ungefär en hundradels millimeter, som Ragland gjorde - är mycket svårare eftersom våglängderna är nästan en miljonedel av radiovågor.
"Med korta våglängder är instrumentets stabilitet en stor begränsning," sade Ragland. "Till och med en vibration förstör mätningen helt."
Astronomerna använde också en ny teknik för att kombinera ljuset från de tre IOTA-teleskopen: ett halvtomt brett solid-state-chip, kallat Integrated-optics beam-combiner (IONIC), utvecklat i Frankrike. Detta står i kontrast till den typiska interferometern, som består av många speglar för att rikta ljuset från flera teleskop till en gemensam detektor.
Raglands huvudfokus är stjärnor med låg till medelstor massa - från tre fjärdedelar av solens massa till tre gånger solens massa - när de närmar sig slutet på deras liv. Det här är stjärnor som ballonerade till röda jättar flera miljarder år tidigare, när de började bränna helium som samlats under en livstid av vätebränning. I slutet består dessa stjärnor dock av en tät kärna av kol och syre omgiven av ett skal där väte omvandlas till helium och sedan helium till kol och syre. I de flesta av dessa stjärnor växlar väte och helium som bränslen, vilket gör att stjärnans ljusstyrka varierar under en 100 000-årig period när bränslet förändras. I många fall tillbringar stjärnorna sina sista 200 000 år som en Mira-variabel - en typ av stjärna vars ljus varierar regelbundet i ljusstyrka under en period av 80 till 1000 dagar. De heter för prototypstjärnan i stjärnbilden Cetus, känd som Mira.
"En anledning till att jag är intresserad av detta är att vår sol kommer att ta denna väg någon gång, 4 miljarder år från nu," sade Ragland.
Det är under denna period som dessa stjärnor börjar blåsa av sina yttre lager i en "supervind", som så småningom kommer att lämna bakom en vit dvärg i mitten av en expanderande planetens nebula. Willson modellerar mekanismerna genom vilka dessa slutstjärnor förlorar sin massa, främst trots starka vindar.
Under dessa avtagande eoner pulserar stjärnorna också i storleksordningen månader till år, eftersom de yttre skikten bockar utåt som en släppventil, sa Willson. Många av dessa så kallade asymptotiska jättegrenstjärnor är Mira-variabler, som varierar regelbundet när molekyler bildas och skapar en genomskinlig eller nästan ogenomskinlig kokong runt tidens stjärna. Medan vissa av dessa stjärnor har visat sig vara icke-cirkulära, är alla asymmetriska funktioner, såsom ojämn ljusstyrka, omöjliga att upptäcka med en två-teleskopinterferometer, sade Ragland.
Ragland och hans kollegor observerade med IOTA totalt 35 Mira-variabler, 18 halvregulära variabler och 3 oregelbundna variabler, alla inom cirka 1 300 ljusår från Jorden, i vår Vintergatan. Tolv av Mira-variablerna visade sig ha asymmetriska ljusstyrkor, medan bara tre av halvreglerna och en av de oregelbundna visade denna otydlighet.
Orsaken till denna ojämna ljusstyrka är oklar, sade Ragland. Modellering av Willson har visat att en följeslagare, till exempel en planet i en omloppsbana som liknar Jupiters omloppsbana i vårt eget system, kan generera en vaken i den stjärnvinden som skulle dyka upp som en asymmetri. Även en närmare jordliknande planet skulle kunna generera en detekterbar kölning om den stjärnvinden var tillräckligt stark, även om en planet för nära det expanderade kuvertet snabbt skulle dras inåt och förångas av stjärnan.
Alternativt kan stora mängder material som utvisas från stjärnan kondensera till moln som blockerar en del av eller allt ljus från en del av stjärnan.
Vilken som helst orsak, sade Willson, ”detta säger oss är att antagandet att stjärnorna är enhetligt ljusa är fel. Vi kan behöva utveckla en ny generation av tredimensionella modeller. ”
"Den här studien, den största någonsin i denna klass av stjärnor av sen typ, är den första som visar i vilken utsträckning sena typstjärnor, särskilt Mira-variabler och kolstjärnor, visar effekterna av heta och kalla ställen," sa coauthor William Danchi från NASA Goddard Space Flight Center. "Detta har konsekvenser för hur vi tolkar observationer när vi använder infraröda interferometrar för att söka efter planeter runt röda jättar."
Raglands coauthors är Traub; Jean-Pierre Berger, P. Kern och F. Malbet från Laboratoire d’Astrophysique de Grenoble (LAOG) i Frankrike; Danchi; J. D. Monnier och E. Pedretti från University of Michigan, Ann Arbor; Willson; N. P. Carleton, M. G. Lacasse och M. Pearlman från CfA; R. Millan-Gabet från California Institute of Technology; F. Schloerb, M. Brewer, K. Perraut, K. Souccar och G. Wallace från University of Massachusetts, Amherst; W. Cotton från National Radio Astronomy Observatory i Virginia; Charles H. Townes från University of California, Berkeley; P. Haguenauer från ALCATEL Space Industries i Cannes, Frankrike; och P. Labeye från Laboratoire d’Electronique de Technologie de l’Information (LETI) i Grenoble, som ingår i den franska atomenergikommissionen (CEA). IONIC-chipet utvecklades gemensamt av LAOG, Institut de Microéectronique, Élektromagnetism et Photonique (IMEP) och LETI.
Arbetet stöds av NASA genom ett Michelson Postdoktoralt stipendium och av National Science Foundation.
W. M. Keck-observatoriet drivs som ett vetenskapligt partnerskap mellan California Institute of Technology, University of California och NASA. Observatoriet möjliggjordes av det generösa ekonomiska stödet från W. Keck Foundation.
Originalkälla: Keck News Release
