Komunikat prasowy

ALMA dostrzega zaskakującą strukturę spiralną

Nowe obserwacje ujawniają sekrety umierającej gwiazdy

10 października 2012

Astronomowie korzystający z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) odkryli zupełnie nieoczekiwaną strukturę spiralną w materii wokół starej gwiazdy R Sculptoris. Po raz pierwszy tego typy strukturę, wraz z zewnętrzną sferyczną otoczką (ang. shell), odnaleziono wokół czerwonego olbrzyma. Również po raz pierwszy astronomowie byli wstanie uzyskać w pełni trójwymiarowe informacje o tego rodzaju spirali. Dziwny kształt został prawdopodobnie utworzony przez niewidocznego towarzysza – gwiazdę okrążającą czerwonego olbrzyma. Uzyskane wyniki są jedną z pierwszych prac naukowych z wczesnej fazy testowej ALMA i zostaną opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie „Nature”.

Zespół korzystający z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), najpotężniejszego teleskopu milimetrowego/submilimetrowego na świecie, odkrył zaskakującą strukturę spiralną w gazie wokół czerwonego olbrzyma R Sculptoris [1][2][3]. Oznacza to, że prawdopodobnie na orbicie wokół R Sculptoris istnieje wcześniej nieznany towarzysz gwiazdowy [4]. Astronomów zaskoczyło także, że czerwony olbrzym wyrzucił znacznie więcej materii niż się spodziewano.

„Już wcześniej obserwowaliśmy otoczki (ang. shell) wokół gwiazd tego typu, ale po raz pierwszy dostrzegliśmy spirale materii wychodzącą od gwiazdy, razem z otaczającym ją shellem” mówi główny autor artykułu opisującego wyniki badań, Matthias Maercker (ESO oraz Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Niemcy).

Ze względu na wywiewanie wielkich ilości materii, czerwone olbrzymy takie jak R Sculptoris czynią duży wkład w pył i gaz, który jest źródłem materiału dla formowania się przyszłych generacji gwiazd, układów planetarnych, a w konsekwencji także dla życia.

Nawet we wczesnej fazie naukowej, gdy dokonywano nowych obserwacji, ALMA już przewyższyła inne obserwatoria submilimetrowe. Wcześniejsze obserwacje wyraźnie pokazywały sferyczną otoczkę (shell) wokół R Sculptoris, ale nie wskazywały na istnienie spiralnej struktury, ani towarzysza.

„Gdy obserwowaliśmy gwiazdę za pomocą ALMA, z mniej niż połową zamontowanych anten. Naprawdę ekscytujące jest wyobrazić sobie czego będzie w stanie dokonać ALMA, gdy zostanie ukończona w 2013 roku” dodaje Wouter Vlemmings (Chalmers University of Technology, Szwecja), współautor badań. 

W późnym etapie swojego życia gwiazdy o masach do ośmiu mas Słońca stają się czerwonymi olbrzymami i tracą wielkie ilości masy poprzez gęsty wiatr gwiazdowy. Podczas fazy czerwonego olbrzyma przechodzą także cykliczne pulsy termiczne. Są to krótkotrwałe fazy wybuchowego palenia helu w warstwie wokół jądra gwiazdy (shellu). Termiczny puls prowadzi do utraty materii z powierzchni gwiazdy w znacznie szybszym tempie, w efekcie czego wokół gwiazdy formuje się wielka otoczka pyłu i gazu. Po zakończeniu pulsu tempo, w którym gwiazda traci masę, ponownie spada do normalnej wartości.

Pulsy termiczne mogą zdarzać się co około 10 000 do 50 000 lat i trwają zaledwie po kilkaset lat. Nowe obserwacje R Sculptoris wskazują, że około 1800 lat temu zaszedł w niej puls termiczny trwający przez około 200 lat. Towarzysząca gwiazda wykształciła spiralną strukturę w wietrze R Sculptoris.

„Wykorzystując moc ALMA do dokładniejszego zobaczenia szczegółów, możemy znacznie lepiej zrozumieć co stało się z gwiazdą wcześniej, podczas i po pulsie termicznym, badając w jaki sposób są ukształtowane warstwa shella i struktura spiralna” mówi Maercker. „Oczekiwaliśmy, że ALMA dostarczy nam nowego spojrzenia na Wszechświat, ale odkrywanie nieoczekiwanych rzeczy już teraz, w trakcie jednej z pierwszych rund obserwacyjnych, jest niezmiernie ciekawe.”

Aby opisać strukturę obserwowaną wokół R Sculptoris zespół astronomów przeprowadził także symulacje komputerowe, aby prześledzić ewolucję układu podwójnego [5]. Modele te bardzo dobrze pasują do nowych obserwacji z ALMA.

„Teoretyczne opisane wszystkich obserwowanych detali pochodzących z ALMA jest prawdziwym wyzwaniem, ale nasze modele komputerowe pokazują, że jesteśmy na właściwej drodze. ALMA daje nam nowy wgląd w to, co dzieje się w tego rodzaju gwiazdach i co może dziać się na Słońcu za kilka miliardów lat” mówi Shazrene Mohamed (South African Astronomical Observatory), współautor badań.

„W najbliższej przyszłości obserwacje za pomocą ALMA gwiazd takich jak R Sculptoris pomogą nam zrozumieć w jaki sposób pierwiastki, z których jesteśmy zbudowani, dotarły do miejsc takich jak Ziemia. Dadzą nam także wskazówkę jak może wyglądać daleka przyszłość naszej własnej gwiazdy.” podsumowuje Matthias Maercker.

Uwagi

[1] R Sculptoris jest przykładem asymptotycznej gałęzi olbrzymów (AGB). Są to gwiazdy w późnej fazie swojego życia, o początkowych masach pomiędzy 0,8, a 8 mas Słońca. Są chłodnymi czerwonymi olbrzymami z bardzo dużą utratą masy poprzez silne wiatry gwiazdowe, zwykle są też długookresowymi gwiazdami zmiennymi. Ich struktura zawiera małe centralne jądro węglowo-tlenowe, otoczone przez warstwę, w której pali się hel i wodór (shell), nad którą występuje olbrzymia otoczka konwektywna. Słońce może w przyszłości wyewoluować do gwiazdy AGB.

[2] Wyrzucona otoczka, która formuje się wokół gwiazd AGB, jest zbudowana z gazu i ziaren pyłu. Ziarna pyłu można dostrzec poszukując emisji termicznej rozciągającej się od dalekiej podczerwieni poprzez fale milimetrowe. Na falach milimetrowych emisje od cząsteczek CO pozwalają astronomom uzyskać wysokiej rozdzielczości mapy  emisji gazu z silnych wiatrów gwiazdowych generowanych przez gwiazdy AGB. Obserwacje te są także doskonałym sposobem na śledzenie rozmieszczenia gazu wokół tego rodzaju obiektów. Duża czułość ALMA pozwala na uzyskiwanie bezpośrednich obrazów stref koncentracji pyłu i struktury materiału wokół gwiazd AGB, ukazując szczegóły mniejsze niż 0,1 sekundy łuku.

[3] Podobna spirala, ale bez otoczki, została dostrzeżona za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, należącego do NASA/ESA. Było to w ramach obserwacji gwiazdy LL Pegasi. Jednak w przeciwieństwie do nowych obserwacji ALMA, dane te nie pozwalają na zbadanie pełnej trójwymiarowej struktury. Obserwacje z Hubble’a wykryły pył, a ALMA emisję molekularną.

[4] Niewidoczne układy podwójne zostały także zasugerowane jako wyjaśnienie dziwnych kształtów obserwowanych w powiązanych obiektach – mgławicach planetarnych. Po fazie AGB średniomasywne i małomasywne gwiazdy (0,8-8 mas Słońca) kończą swoje życie formując mgławice planetarne. Są to świecące pozostałości otoczki gwiazdowej z gazu wyrzuconego podczas fazy AGB, jonizowanego przez ultrafioletowe promieniowanie, które emituje gwiazda centralna. Wiele mgławic planetarnych ma bardzo złożone i różnorodne morfologie. Jako mechanizm, który tworzy tak zróżnicowane kształty sugerowane są podwójne gwiazdy centralne, dyski gwiazdowe oraz pola magnetyczne.

[5] Modelowany tutaj system zawiera jako składnik główny gwiazdę AGB, przechodząca puls termiczny oraz towarzyszącą jej mniejszą gwiazdę. Przyjęta w symulacji separacja pomiędzy gwiazdami wynosi 60 jednostek astronomicznych, a całkowita masa systemu to dwie masy Słońca. Okres orbitalny wynosi 350 lat.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule “Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris”, Maercker et al., który ukaże się w czasopiśmie Nature.

Skład zespołu badawczego: M. Maercker (ESO; Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Niemcy), S. Mohamed (Argelander Institute for Astronomy; South African Astronomical Observatory, RPA), W. H. T. Vlemmings (Onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Onsala, Szwecja), S. Ramstedt (Argelander Institute), M. A. T. Groenewegen (Royal Observatory of Belgium, Brussels, Belgia), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Department of Astronomy, University of Vienna, Austria), M. Lindqvist (Onsala Space Observatory), H. Olofsson (Onsala Space Observatory), C. Paladini (Department of Astronomy, University of Vienna, Austria), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Chile) oraz L. A. Nyman (Joint ALMA Observatory).

W roku 2012 mija 50. rocznica utworzenia Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Jest wspierane przez 15 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 40-metrowej klasy Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to międzynarodowy projekt astronomiczny w ramach partnerstwa pomiędzy Europą, Ameryką Północną i Azją Wschodnią, we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana w Europie przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), w Ameryce Północnej przez U.S. National Science Foundation (NSF) we współpracy z National Research Council of Canada (NRC) oraz National Science Council of Taiwan (NSC), a w Azji Wschodniej przez National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan we współpracy z Academia Sinica (AS) na Tajwanie. Budowa i zarządzanie ALMA są prowadzone w imieniu Europy przez ESO, w imieniu Ameryki Północnej przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), które jest zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), a w imieniu Azji Wschodniej przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia zunifikowane kierownictwo i zarządzanie konstrukcją, testowaniem oraz użytkowaniem ALMA.

Obserwatorium ALMA zostanie oficjalnie otwarte 13 marca 2013 roku.

Linki

• Publikacja naukowa w Nature
• Więcej o ALMA na stronach ESO
• Joint ALMA Observatory

Kontakt

Matthias Maercker
ESO ALMA Cofund Fellow
Argelander Institute for Astronomy, University of Bonn, Germany
Tel.: +49 228 735768
Tel. kom.: +49 176 706 21 632
E-mail: maercker@astro.uni-bonn.de

Wouter Vlemmings
Onsala Space Observatory
Chalmers University of Technology, Sweden
Tel.: +46 31 772 5509
Tel. kom.: +46 733 544 667
E-mail: wouter.vlemmings@chalmers.se

Shazrene S. Mohamed
Postdoctoral Research Fellow
South African Astronomical Observatory, Cape Town, South Africa
Tel.: +27 21 447 0025 ext 7025
Tel. kom.: +27 729 661 707
E-mail: shazrene@saao.ac.za

Douglas Pierce-Price
Public Information Officer, ESO
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6759
E-mail: dpiercep@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych