Et team af astronomer brugte for nylig Arizona's Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) af tre sammenkoblede teleskoper til at peere 4 milliarder år frem i tid, når vores sol balloner op for at blive en rød gigantisk stjerne. De observerede flere røde kæmpe stjerner - den eventuelle skæbne for vores sol - og opdagede, at deres overflader var plettet og varierede, dækket med enorme solflekker.
Idet astronomer i stigende grad forbinder to teleskoper som interferometre for at afsløre større detaljer om fjerne stjerner, viser en Keck-observatorium-astronom kraften ved at forbinde tre eller endnu flere teleskoper sammen.
Astronom Sam Ragland brugte Arizona's Infrared-Optical Telescope Array (IOTA) af tre sammenkoblede teleskoper for at få hidtil uset detalje om gamle røde gigantstjerner, der repræsenterer Solens eventuelle skæbne.
Overraskende fandt han, at næsten en tredjedel af de røde giganter, han undersøgte, ikke var ensartet lyse over deres ansigt, men var ujævn, hvilket muligvis indikerede store pletter eller skyer, der svarer til solflekker, chokbølger genereret af pulserende kuverter eller endda planeter.
”Den typiske tro er, at stjerner skal være symmetriske gasboller,” sagde Ragland, en interferometer-specialist. "Men 30 procent af disse røde giganter udviste asymmetri, hvilket har konsekvenser for de sidste faser af stjernestatus, når stjerner som Solen udvikler sig til planetariske tåger."
Resultaterne opnået af Ragland og hans kolleger beviser også muligheden for at forbinde en trio - eller endda kvintet eller sextet - af infrarøde teleskoper for at få billeder i højere opløsning i det nærinfrarøde, end det har været muligt før.
”Med mere end to teleskoper kan du udforske en helt anden slags videnskab end der kunne gøres med to teleskoper,” sagde han.
”Det er et stort skridt at gå fra to teleskoper til tre,” tilføjede teoretikeren Lee Anne Willson, en medforfatter til studiet og professor i fysik og astronomi ved Iowa State University i Ames. ”Med tre teleskoper kan du ikke kun fortælle, hvor stor stjernen er, men om den er symmetrisk eller asymmetrisk. Med endnu flere teleskoper kan du begynde at gøre det til et billede. ”
Ragland, Willson og deres kolleger ved institutioner i USA og Frankrig, herunder NASA, rapporterede deres observationer og konklusioner i et papir, der for nylig blev accepteret af The Astrophysical Journal.
Ironisk nok opererede IOTA-teleskoparrayet sammen på Mt. Hopkins fra Smithsonian Astrophysical Observatory, Harvard University, University of Massachusetts, University of Wyoming og Massachusetts Institute of Technology's Lincoln Laboratory blev lukket 1. juli for at spare penge. Det oprindelige to-teleskopinterferometer gik online i 1993, og tilføjelsen af et tredje 45 centimeter teleskop i 2000 skabte den første optiske og infrarøde interferometertrio.
IOTA-direktør Wesley A. Traub, tidligere Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) og nu på Jet Propulsion Laboratory, bød Ragland og hans kolleger muligheden for at bruge arrayet til at teste grænserne for interferometri med flere teleskoper og måske lære noget om solens endelige skæbne.
Interferometre kombinerer lys fra to eller flere teleskoper for at se flere detaljer, og simulerer opløsningen af et teleskop så stort som afstanden mellem teleskopene. Mens radioastronomer har brugt matriser i årevis til at simulere langt større teleskoper, har de fordelen med relativt lange bølgelængder - meter eller centimeter - hvilket gør det lettere at opdage fraktionerede bølgelængdeforskelle mellem ankomsttidens lys ved adskilte teleskoper. At udføre interferometri i den næsten infrarøde - med en bølgelængde på 1,65 mikron, eller cirka en hundrededel af en millimeter, som Ragland gjorde - er meget sværere, fordi bølgelængderne er næsten en milliondel af radiobølger.
”Ved korte bølgelængder er instrumentets stabilitet en stor begrænsning,” sagde Ragland. "Selv en vibration vil fuldstændigt ødelægge målingen."
Astronomerne anvendte også en ny teknologi til at kombinere lyset fra de tre IOTA-teleskoper: en halv tommer bred solid-chip, kaldet Integrated-optics beam-combiner (IONIC), udviklet i Frankrig. Dette står i kontrast til det typiske interferometer, der består af mange spejle til at lede lyset fra flere teleskoper til en fælles detektor.
Raglands hovedfokus er stjerner til middelmasse - lige fra tre fjerdedele af solens masse til tre gange solens masse - når de nærmer sig slutningen af deres liv. Dette er stjerner, der ballonerede til røde giganter flere milliarder år tidligere, da de begyndte at brænde det helium, der var akkumuleret i løbet af en levetid med brintforbrænding. Til sidst består disse stjerner dog af en tæt kerne af kulstof og ilt omgivet af en skal, hvor brint omdannes til helium og derefter helium til kulstof og ilt. I de fleste af disse stjerner veksler brint og helium som brændstof, hvilket får stjernens lysstyrke til at variere over en periode på 100.000 år, efterhånden som brændstoffet skifter. I mange tilfælde bruger stjernerne de sidste 200.000 år som en Mira-variabel - en type stjerne, hvis lys varierer regelmæssigt i lysstyrke over en periode på 80 til 1000 dage. De er navngivet efter prototypestjernen i stjernebilledet Cetus kendt som Mira.
”En af grundene til, at jeg er interesseret i dette, er, at vores sol vil gå denne vej på et tidspunkt, 4 milliarder år fra nu,” sagde Ragland.
Det er i denne periode, at disse stjerner begynder at sprænge deres ydre lag i en "supervind", som til sidst vil efterlade en hvid dværg i midten af en ekspanderende planetarisk tåge. Willson modellerer de mekanismer, hvormed disse sluttrinsstjerner mister deres masse, primært på grund af stærk stjernevind.
I løbet af disse aftagende eoner pulserer stjernerne også i størrelsesordenen måneder til år, da de ydre lag bøjes udad som en frigørelsesventil, sagde Willson. Mange af disse såkaldte asymptotiske gigantiske grenstjerner er Mira-variabler, der varierer regelmæssigt, når molekyler dannes og skaber en gennemskinnelig eller næsten uigennemsigtig kokon omkring stjernens del af tiden. Mens nogle af disse stjerner har vist sig at være ikke-cirkulære, er alle asymmetriske træk, såsom klodset lysstyrke, umulige at registrere med et to-teleskopinterferometer, sagde Ragland.
Ragland og hans kolleger observerede med IOTA i alt 35 Mira-variabler, 18 halvregulære variabler og 3 uregelmæssige variabler, alle inden for ca. 1.300 lysår fra Jorden, i vores Melkevejsgalakse. Tolv af Mira-variablerne viste sig at have asymmetriske lysstyrker, mens kun tre af de halvregulære og en af de uregelmæssige viste denne uklarhed.
Årsagen til denne ujævn lysstyrke er uklar, sagde Ragland. Modellering af Willson har vist, at en ledsager, såsom en planet i en bane, der ligner Jupiters bane i vores eget system, kunne generere et vågne skridt i den stellare vind, der ville dukke op som en asymmetri. Selv en tættere jordlignende planet kunne generere et detekterbart kølvandet, hvis stjernevinden var stærk nok, skønt en planet for tæt på den udvidede konvolut hurtigt ville blive trukket ind og fordampet af stjernen.
Alternativt kan store mængder materiale, der udvises fra stjernen, kondensere til skyer, der blokerer noget eller alt lyset fra en del af stjernen.
Uanset årsagen, sagde Willson, ”dette siger os er, at antagelsen om, at stjerner er ensartet lyse, er forkert. Vi er muligvis nødt til at udvikle en ny generation af tredimensionelle modeller. ”
"Denne undersøgelse, den største nogensinde i denne klasse af sentype stjerner, er den første til at demonstrere, i hvilken grad sene type stjerner, især Mira-variabler og kulstofstjerner, viser virkningen af varme og kolde pletter," sagde coauthor William Danchi fra NASA Goddard Space Flight Center. ”Dette har konsekvenser for, hvordan vi fortolker observationer, når vi bruger infrarøde interferometre til at søge efter planeter omkring røde giganter.”
Raglands coauthors er Traub; Jean-Pierre Berger, P. Kern og F. Malbet fra Laboratoire d’Astrophysique de Grenoble (LAOG) i Frankrig; Danchi; J. D. Monnier og E. Pedretti fra University of Michigan, Ann Arbor; Willson; N. P. Carleton, M. G. Lacasse og M. Pearlman fra CfA; R. Millan-Gabet fra California Institute of Technology; F. Schloerb, M. Brewer, K. Perraut, K. Souccar og G. Wallace fra University of Massachusetts, Amherst; W. Cotton fra National Radio Astronomy Observatory i Virginia; Charles H. Townes fra University of California, Berkeley; P. Haguenauer fra ALCATEL Space Industries i Cannes, Frankrig; og P. Labeye fra Laboratoire d’Electronique de Technologie de l’Information (LETI) i Grenoble, som er en del af den franske atomenergikommission (CEA). IONIC-chippen blev udviklet i fællesskab af LAOG, Institut de Microéectronique, Élektromagnetisme et Photonique (IMEP) og LETI.
Arbejdet blev støttet af NASA gennem et Michelson Postdoktoralt stipendium og af National Science Foundation.
W. M. Keck-observatoriet drives som et videnskabeligt partnerskab mellem California Institute of Technology, University of California og NASA. Observatoriet blev gjort muligt gennem den generøse økonomiske støtte fra W. Keck Foundation.
Original kilde: Keck News Release
