Første optælling nogensinde af variable mira-Type Stjerner i galakse uden for den lokale gruppe
10. juni 2003
Et internationalt hold ledet af ESO-astronom Marina Rejkuba har opdaget mere end 1000 lysende røde variable stjerner i den nærliggende elliptiske galakse Centaurus A (NGC 5128). Lysstyrkeændringer og perioder for disse stjerner blev målt nøjagtigt og afslører, at de for det meste er kølige variable stjerner med lange perioder af den såkaldte “Mira-type”. Den observerede variabilitet er forårsaget af stjernernes pulsering. Det er første gang, at der er foretaget en detaljeret optælling af variable stjerner i en galakse uden for den lokale gruppe af galakser (som Mælkevejsgalaksen, som vi lever i, er medlem af). Det åbner også et helt nyt vindue for en detaljeret undersøgelse af stjernernes indhold og udvikling i elliptiske kæmpegalakser . Disse massive objekter formodes at spille en vigtig rolle i den gravitationelle samling af galaksehobe i universet (især i de tidlige faser). Dette forskningsprojekt uden fortilfælde er baseret på observationer i det nærinfrarøde område, der er opnået over mere end tre år med ISAAC-multimodeinstrumentet på 8,2-m VLT ANTU-teleskopet på ESO Paranal-observatoriet.
Mira-type variable stjerner
Af de stjerner, der er synlige på himlen med det blotte øje, viser ca. en ud af tre hundrede (0,3 %) variationer i lysstyrke og betegnes af astronomer som en “variabel stjerne”. Procentdelen er meget højere blandt store, kolde stjerner (“røde giganter”) – faktisk er næsten alle lysende stjerner af denne type variable. Sådanne stjerner er kendt som Mira-variable ; navnet kommer fra det mest fremtrædende medlem af denne klasse, Omicron Ceti i stjernebilledet Cetus (hvalen), også kendt som “Stella Mira” (den vidunderlige stjerne). Dens lysstyrke skifter med en periode på 332 dage, og den er ca. 1500 gange lysere ved maksimum (synlig magnitude 2 og en af de halvtreds klareste stjerner på himlen) end ved minimum (magnitude 10 og kun synlig i små teleskoper) .
Stjerner som Omicron Ceti nærmer sig slutningen af deres liv. De er meget store og har størrelser fra et par hundrede til omkring tusind gange Solens størrelse. Lysstyrkevariationen skyldes pulsationer, hvor stjernens temperatur og størrelse ændrer sig dramatisk.
I den følgende udviklingsfase vil Mira-variabler kaste deres ydre lag ud i det omgivende rum og blive synlige som planetariske tåger med en varm og kompakt stjerne (en “hvid dværg”) i midten af en tåge af gas og støv.
I øjeblikket kendes flere tusinde stjerner af Mira-typen i Mælkevejsgalaksen, og nogle få hundrede er fundet i andre nærliggende galakser, herunder Magellanskolerne.
Den ejendommelige galakse Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) er den nærmeste kæmpegalakse, i en afstand på ca. 13 millioner lysår. Den ligger uden for den lokale galaksegruppe, som vores egen galakse, Mælkevejen, og dens satellitgalakser, Magellanskolerne, hører til.
Centaurus A ses i retning af det sydlige stjernebillede Centaurus. Den er af elliptisk form og er i øjeblikket ved at smelte sammen med en ledsagergalakse, hvilket gør den til et af de mest spektakulære objekter på himlen, jf. ESO Press Photo eso0315 . Den besidder et meget tungt sort hul i sit centrum og er en kilde til kraftig radio- og røntgenemission.
I løbet af dette forskningsprogram blev to regioner i Centaurus A gennemsøgt for stjerner med variabel lysstyrke; de er placeret i periferien af denne ejendommelige galakse, jf. eso0315b . Et ydre felt (“felt 1”) falder sammen med en stjerneskal med mange blå og lysende stjerner, der er produceret af den igangværende galaksefusion; det ligger i en afstand på 57.000 lysår fra centrum. Det indre felt (“Field 2”) er mere overfyldt og ligger i en forventet afstand på ca. 30.000 lysår fra centrum..
Tre års VLT-observationer
Under normale omstændigheder vil ethvert hold professionelle astronomer kun have adgang til verdens største teleskoper i et meget begrænset antal på hinanden følgende nætter hvert år. Omfattende søgninger efter variable stjerner som denne kræver imidlertid gentagne observationer, der varer minutter til timer over perioder på måneder til år. Det er således ikke muligt at foretage sådanne observationer på den klassiske måde, hvor astronomerne rejser til teleskopet hver gang.
Det operationelle system for VLT på ESO Paranal-observatoriet (Chile) er heldigvis også gearet til at omfatte denne form for langtidsprogram. Mellem april 1999 og juli 2002 blev 8,2-m VLT ANTU-teleskopet ANTU på Cerro Paranal i Chile) opereret i servicetilstand ved mange lejligheder for at opnå K-båndsbilleder af de to felter i Centaurus A ved hjælp af det nærinfrarøde ISAAC-multimode-instrument. Hvert felt blev observeret over 20 gange i løbet af denne treårige periode; nogle af billederne blev opnået under usædvanlige seeingforhold på 0,30 arcsec. Et sæt supplerende optiske billeder blev taget med FORS1 multimode-instrumentet (også på VLT ANTU) i juli 1999.
Hvert billede fra ISAAC-instrumentet dækker et område på 2,5 x 2,5 arcmin 2. De kombinerede billeder, der omfatter en samlet eksponering på 20 timer, er faktisk de dybeste infrarøde billeder, der nogensinde er taget af haloen i en galakse, der er så fjern som Centaurus A, ca. 13 millioner lysår.
Opdagelse af tusind Mira-variable
Når de langvarige observationer var afsluttet, var der to yderligere trin nødvendige for at identificere de variable stjerner i Centaurus A .
Først blev hvert ISAAC-billede behandlet individuelt for at identificere de tusinder og atter tusinder af svage punktlignende billeder (stjerner), der er synlige i disse felter. Dernæst blev alle billederne sammenlignet ved hjælp af en særlig softwarepakke (“DAOPHOT”) for at måle lysstyrken af alle disse stjerner i de forskellige frames, dvs, som en funktion af tiden.
Mens de fleste stjerner i disse felter som forventet viste sig at have konstant lysstyrke, viste mere end 1000 stjerner variationer i lysstyrke med tiden; dette er langt det største antal variable stjerner, der nogensinde er opdaget i en galakse uden for den lokale galaksegruppe.
Den detaljerede analyse af dette enorme datasæt tog mere end et år. De fleste af de variable stjerner viste sig at være af Mira-typen, og deres lyskurver (lysstyrke i løbet af pulsationsperioden) blev målt, jf. ESO Press Photo eso0315 . For hver af dem blev værdierne af de karakteristiske parametre, perioden (dage) og lysstyrkeamplituden (magnituder) bestemt. Et katalog over de nyopdagede variable stjerner i Centaurus A er nu blevet gjort tilgængeligt for det astronomiske samfund via det europæiske forskningstidsskrift Astronomy & Astrophysics.
Marina Rejkuba er glad og taknemmelig: “Vi er virkelig meget heldige at have gennemført dette ambitiøse projekt med så stor succes. Det hele afhang i høj grad af forskellige faktorer: ESO’s Observing Programmes Committee’s gentagne tildeling af afgørende observationstid i forskellige observationsperioder i en hård international konkurrence, teleskopets og ISAAC-instrumentets stabilitet og pålidelighed over en periode på mere end tre år og ikke mindst den fremragende kvalitet af observationerne i servicetilstand, som blev udført så effektivt af personalet på Paranal-observatoriet.”
Hvad har vi lært om Centaurus A?
Den nuværende undersøgelse af variable stjerner i denne gigantiske elliptiske galakse er den første nogensinde af sin slags. Selv om evalueringen af det meget store observationsdatamateriale endnu ikke er afsluttet, har den allerede ført til en række meget nyttige videnskabelige resultater.
Bekræftelse af tilstedeværelsen af en mellemaldrende population
Baseret på tidligere undersøgelser (optiske og nær-IR farve-magnitude-diagrammer af stjernerne i felterne) havde det nuværende hold af astronomer tidligere påvist tilstedeværelsen af mellemaldrende og unge stjernepopulationer i haloen af denne galakse. De yngste stjerner synes at være på linje med den kraftige stråle, der produceres af det massive sorte hul i centrum.
Nogle af de meget lysstærke røde variable stjerner, der nu er opdaget, bekræfter tilstedeværelsen af en population af stjerner i mellemalderen i galaksens halo. Det bidrager også til vores forståelse af, hvordan gigantiske elliptiske galakser dannes.
Ny måling af afstanden til Centaurus A
Pulsationen af variable stjerner af Mira-typen adlyder en periode-lysstyrke-relation. Jo længere periode, jo mere lysstærk er en Mira-type stjerne.
Dette faktum gør det muligt at bruge Mira-type stjerner som “standardlys” (objekter med kendt iboende lysstyrke) til afstandsbestemmelse. De er faktisk ofte blevet brugt på denne måde til at måle nøjagtige afstande til mere nærliggende objekter, f.eks. til enkelte stjernehobe og til centrum i vores Mælkevejsgalakse, og også til galakser i den lokale gruppe, især Magellanskolerne.
Denne metode fungerer særligt godt med infrarøde målinger, og astronomerne kunne nu måle afstanden til Centaurus A på denne nye måde. De fandt 13,7 ± 1,9 millioner lysår, hvilket generelt stemmer overens med og dermed bekræfter andre metoder.
Studie af gradienter i stjernepopulationen i halo af en elliptisk kæmpegalakse
De to felter, der her er undersøgt, indeholder forskellige populationer af stjerner. Der observeres en klar afhængighed af placeringen (en “gradient”) i galaksen, som kan skyldes forskelle i kemisk sammensætning eller alder, eller en kombination af begge dele.
En forståelse af årsagen til denne gradient vil give yderligere ledetråde til, hvordan Centaurus A – og faktisk alle elliptiske kæmpegalakser – blev dannet og siden har udviklet sig.
Sammenligning med andre velkendte nærliggende galakser
Fremtidige søgninger har opdaget variable stjerner af Mira-typen overalt i Mælkevejen, vores hjemlige galakse, og i andre nærliggende galakser i den lokale gruppe. Der findes imidlertid ingen elliptiske kæmpegalakser som Centaurus A i den lokale gruppe, og det er første gang, at det har været muligt at identificere denne type stjerner i den type galakse.
Denne undersøgelse åbner nu et nyt vindue til studier af stjernernes bestanddele i sådanne galakser.
Notes
Holdet består af Marina Rejkuba og David Silva (ESO-Garching, Tyskland), Tim Bedding (School of Physics and Astronomy, Sydney University, Australien) og Dante Minniti (Departamento de Astronomía og FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chile).
Mira ( Omicron Ceti ), en kold rød kæmpestjerne, er en af de mest berømte variable stjerner på himlen. David Fabricius (Østfriesland, Tyskland) er anerkendt for at have opdaget den i 1596, mens han ledte efter planeten Merkur. I 1638 bestemte Johann Holwarda fra samme område dens periode til 11 måneder og fastslog dermed, at den var den første variabel med lang periode, der blev opdaget. I 1642 gav Johannes Hevelius (Danzig, nu Polen) stjernen navnet Mira , “Den vidunderlige”. Det har senere vist sig, at den er et binært stjernesystem. En hel klasse af variable stjerner er blevet opkaldt efter denne stjerne. Ifølge den astronomiske definition er stjerner af “Mira-typen” variable stjerner med en periode på omkring 100-1000 dage og med visuelle lysvariationer på mere end 2,5 magnituder. .
Mere oplysninger
Den forskning, der er beskrevet i denne pressemeddelelse, præsenteres i en forskningsartikel, der snart udkommer i det europæiske forskningstidsskrift Astronomy & Astrophysics (“Long Period Variables in NGC 5128: I. Catalogue” af Marina Rejkuba et al.). Den er tilgængelig på nettet som astro-ph/0305432 .
Links
ISAAC-multimode-instrumentet ISAAC på 8,2-m VLT ANTU-teleskopet på ESO Paranal-observatoriet.
Kontakter
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Tyskland
Tel: +49 89 3200-6453
E-mail: [email protected]
Før kontakt med ESO på sociale medier