Billedkredit: UC Berkeley
University of California, Berkeley, astronomer har draget fordel af et nyligt monteret laserguidestjernesystem ved UC's Lick Observatory for at få skarpe, glimtfrie billeder af de svage støvede diske fra fjerne store stjerner. Billederne viser tydeligt, at stjerner, der er to til tre gange større end solen, dannes på samme måde som stjerner af soltype - inde i en hvirvlende sfærisk sky, der kollapser ind i en disk, som den, hvorfra solen og dens planeter opstod.
Den gule laserstråle, der gennemborede himlen over Lick-observatoriet, blev operationel på det 10-fods Shane-teleskop sidste år og udvidede brugen af teleskopets ”gummispejle” -system, kaldet adaptiv optik, til hele natten himmel. Tilsætningen af laseren gør Lick til det eneste observatorium, der leverer en laserguidestjerne til rutinemæssig brug.
UC Berkeley-teamet og dets kolleger ved UC Santa Cruz Center for Adaptive Optics og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) rapporterer deres resultater i 27. februar-udgaven af tidsskriftet Science.
”Paradigmet for stjerner som vores sol er tyngdepunktets sammenbrud af en sky til en protostar og en pandekagelignende tiltrædelsesdisk, men der er en vis masse, hvor dette ikke kan fungere - stjernens lysstyrke bliver tilstrækkelig til at forstyrre disken, og det falder fra hinanden, så hurtigt som det trækker sammen, ”sagde James R. Graham, professor i astronomi ved UC Berkeley. ”Vores data viser, at standardmodelparadigmet stadig fungerer for stjerner to til tre gange så massivt som solen.”
"Uden adaptiv optik, ville vi kun se en stor uklar klat fra jorden og ville være ude af stand til at registrere nogen af de fine strukturer omkring kilderne," tilføjede UC Berkeley-kandidatstuderende Marshall D. Perrin. ”Vores observationer giver stærk støtte til et synspunkt om, at stjerner med lav og mellemliggende masse dannes på en lignende måde.”
Et adaptivt optiksystem, der fjerner slørvirkningerne af atmosfærisk turbulens, blev tilføjet til Licks Shane-teleskop i 1996. Dog, som alle andre teleskoper med adaptiv optik i dag, inklusive de to 10-meter Keck-teleskoper på Hawaii, har Lick-teleskopet haft at stole på lyse stjerner i synsfeltet for at give den henvisning, der er nødvendig for at fjerne sløret. Kun ca. en til 10 procent af objekterne på himlen er tilstrækkeligt nær en lys stjerne til at et sådant ”naturligt” ledestjernesystem fungerer.
Natriumfarvestoffelaseren, udviklet af esselaserforskere Deanna M. Pennington og Herbert Friedman fra LLNL, afslutter endelig det adaptive optiksystem, så astronomer kan bruge det til at se nogen del af himlen, uanset om en lys stjerne er i nærheden eller ikke.
Fastgjort til boringen af Lick-teleskopet skinner laseren en smal stråle omkring 60 mil gennem den turbulente zone ind i den øvre atmosfære, hvor laserlyset stimulerer natriumatomer til at absorbere og udsende lys i samme farve. Natriumet kommer fra mikrometeoritter, der flammer ud og fordamper, når de kommer ind i Jordens atmosfære.
Den gule, glødende plet, der er skabt i atmosfæren, svarer til en stjerne i 9. størrelse - cirka 40 gange svagere end det menneskelige øje kan se. Ikke desto mindre giver den en stabil lyskilde lige så effektiv som en lys fjern stjerne.
”Vi bruger det lys til at måle turbulensen i atmosfæren over vores teleskop hundreder af gange i sekundet, og derefter bruge den info til at forme et specielt fleksibelt spejl på en sådan måde, at når lyset, både fra laser og mål, du er ser på, hopper af det, virkningerne af turbulensen fjernes, ”sagde Claire Max, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz, viceadministrerende direktør for Center for Adaptive Optics og en forsker på LLNL, der har arbejdet for mere end 10 år til at udvikle et laserguidestjernesystem.
I en af de første test af dette system vendte Graham og Perrin teleskopet på sjældne, unge, massive stjerner kaldet Herbig Ae / Be-stjerner, der er uklar fra jorden og typisk for svage til at blive afbildet af den naturlige guiderstjernens adaptive optik. Herbig Ae / Be-stjerner, med masser mellem 1,5 og 10 gange solens og sandsynligvis mindre end 10 millioner år gamle, antages at være begyndelsen på massive stjerner - stjerner, der ender som de varme, type A-stjerner Sirius og Vega. Herbig Ae / Be-stjerner blev katalogiseret for år siden af UC Santa Cruz-astronom George Herbig, nu på University of Hawaii.
De mest massive af Herbig Ae / Be-stjernerne er af stor interesse, fordi det er dem, der gennemgår supernovaeksplosioner, der frø galaksen med tunge atomer, hvilket gør solide planeter og endda liv muligt. De udløser også stjernedannelse i nærliggende skyer.
Det astronomerne så meget lignede det kendte billede af T Tauri-stjerner, som er de dannende stadier af stjerner op til 50 procent større end vores sol og op til 100 millioner år gamle. Billeder af de to Herbig Ae / Be-stjerner viser tydeligt en mørk linje, der halverer hver stjerne, forårsaget af en disk, der blokerer stjernens lyse blænding, og en glødende sfærisk glorie af støv og gas, der omslutter stjernen og disken. I hver stjerne kan to stråler af gas og støv tilsyneladende komme ud fra polerne på overtrækningsskiven.
De to stjerner, katalogiseret som LkH (198 og LkH (233 (Lick hydrogen-alpha kilder)), er henholdsvis 2.000 og 3.400 lysår væk i et fjernt område af Mælkevejen.
"Materiale fra den protostellære sky kan ikke falde direkte i spædbarnsstjernen, så det lander først i en akkretionsskive og bevæger sig kun indad for at falde på stjernen, efter at den har kastet sin vinkelmoment," forklarede Perrin. ”Denne proces med vinkelmomentoverførsel sammen med udviklingen af magnetiske felter fører til lanceringen af de bipolare udstrømninger. Disse udstrømninger renser til sidst konvolutten og efterlader en nyfødt stjerne omgivet af en akkretionsskive. I løbet af et par millioner år er resten af materialet på disken akkrediteret, hvilket kun efterlader den unge stjerne. ”
Perrin tilføjede, at Hubble-rumteleskopet har leveret "meget tydelige, entydige billeder af diske og udstrømning omkring T Tauri-stjerner," som bekræfter teorier om dannelsen af stjerner som vores sol. Men på grund af den relative sjældenhed hos Herbig Ae / Be-stjerner, har sådanne klare data for disse stjerner manglet indtil nu, sagde han.
Astronomer har foreslået, at der dannes meget massive stjerner fra sammenstødet med to eller flere stjerner, eller i en turbulent sky i modsætning til den hvirvlende akkretionsskive. Interessant nok viste en tredje stjerne, der blev afbildet den samme aften af Graham, og Perrin viste sig at være to sollignende stjerner med et bånd af gas og støv imellem, og lignede mistænksomt som en stjerne, der fanger stof fra den anden.
Graham håber at fotografere mere massive Herbig Ae / Be-stjerner for at se, om standardstjernedannelsesmodellen strækker sig til endnu større stjerner. De detaljerede billeder af Herbig Ae / Be-stjernerne skylder lige så meget det nye laserguidestjernesystem som til et næsten infrarødt billeddannelsespolarimeter bygget af Perrin og føjet til Berkeley Near Infrared Camera (IRCAL), der allerede er monteret på teleskopet.
”Uden et polarimeter skjuler lys fra stjernerne stort set strukturerne omkring dem,” sagde Perrin. ”Polarimeteret adskiller upolariseret stjernelys fra polariseret spredt lys fra det omkringliggende stjernestøv, hvilket øger detekterbarheden af dette støv. Nu hvor vi har udviklet denne teknik på Lick, vil det være muligt at udvide den til 10-meter Keck-teleskoper, når laserguidestjernesystemet der bliver i drift. ”
Polarimeteret opdeler lyset fra billedet i dets to polariseringer ved hjælp af en ny type birefringent krystal lavet af lithium, yttrium og fluor (LiYF4), en forbedring i forhold til de hidtil anvendte kalsitkrystaller.
Mange andre grupper udvikler lasere, der skal bruges som ledestjerner, men Max's gruppe har været foran sine konkurrenter, siden de først demonstrerede konceptet i de tidlige 1990'ere på Livermore. Siden da har hun og kollegerne perfektioneret laseren og den software, der gør det muligt for spejlet - i tilfælde af Licks 120-tommer-teleskop, et 3-tommer sekundært spejl inden i hovedteleskopet - at blive bøjet lige ret for at fjerne glimtet fra stars.
11 til 12 watt laser er en natriumfarvestoffer, der er indstillet til den frekvens, der vil begejstre de kolde natriumatomer i atmosfæren. Farvestoffelaseren pumpes af en grøn neodym-YAG-laser, en større bror til de let tilgængelige grønne milliwatt-laserpegere.
”Årsagen til, at vi nu kan gøre videnskab med laserguidestjernesystemet, er, at dets pålidelighed og brugervenlighed er så meget forbedret,” sagde Graham. "Laseren åbner adaptiv optik til et meget større samfund."
”Jeg tror, det bliver et arbejdshestinstrument hos Lick,” tilføjede Max. ”Selve laseren og det adaptive optiske systems hardware er temmelig stabilt og temmelig robust. Hvad der vil ske nu, er, at folk kommer til at gøre astronomi med det, de vil udvikle nye teknikker til at observere med det, prøve det på nye typer objekter. På en typisk måde kommer en god astronom og gør ting med dit instrument, som du aldrig forestillede dig. ”
Max og hendes kolleger har testet et identisk laserguidestjernesystem ved Keck-teleskoperne på Hawaii, men det er endnu ikke klar til rutinemæssig brug, sagde hun.
”Keck bruger den samme teknologi, vi har hos Lick,” sagde Max. ”Jeg forventer at se denne generelle teknologi brugt på de fleste teleskoper, men med forskellige slags lasere. Folk opfinder nye typer lasere til højre og venstre, så jeg tror, at spillet fortsat skal slå sig ud. ”
Andre forfattere af Science-papiret, bortset fra Graham, Perrin, Max og Pennington, er tilknyttet National Science Foundation's Center for Adaptive Optics, centreret ved UC Santa Cruz: assisterende forskningsastronom Paul Kalas fra UC Berkeley, James P. Lloyd fra den California Institute of Technology, Donald T. Gavel fra UC Santa Cruz's Laboratory for Adaptive Optics, og Elinor L. Gates fra UC Observatories / Lick Observatory.
Observationer og udvikling af laserguidestjernen blev finansieret af National Science Foundation og U.S. Department of Energy.
Original kilde: UC Berkeley News Release
