Eerste telling van Variabele Sterren van Mira-Type Sterren in Melkwegstelsel Buiten de Lokale Groep
10 juni 2003
Een internationaal team onder leiding van ESO-astronoom Marina Rejkuba heeft meer dan 1000 heldere rode variabele sterren ontdekt in het nabije elliptische melkwegstelsel Centaurus A (NGC 5128). De helderheidsveranderingen en perioden van deze sterren werden nauwkeurig gemeten en onthullen dat het meestal gaat om koele lange-perioden veranderlijke sterren van het zogenaamde “Mira-type”. De waargenomen variabiliteit wordt veroorzaakt door stellaire pulsatie. Dit is de eerste keer dat een gedetailleerde telling van veranderlijke sterren is uitgevoerd voor een melkwegstelsel buiten de Lokale Groep van Melkwegstelsels (waarvan het Melkwegstelsel waarin wij leven deel uitmaakt). Het opent ook een geheel nieuw venster naar de gedetailleerde studie van de stellaire inhoud en evolutie van reusachtige elliptische melkwegstelsels. Aangenomen wordt dat deze massieve objecten een belangrijke rol spelen bij de gravitationele assemblage van melkwegclusters in het heelal (vooral tijdens de vroege fasen). Dit ongekende onderzoeksproject is gebaseerd op bijna-infrarode waarnemingen die gedurende meer dan drie jaar zijn gedaan met het ISAAC-multimodusinstrument op de 8,2-m VLT ANTU-telescoop van de ESO-sterrenwacht Paranal.
Mira-type veranderlijke sterren
Van de sterren die met het blote oog aan de hemel te zien zijn, vertoont ruwweg één op de driehonderd (0,3%) helderheidsvariaties en wordt door astronomen een “veranderlijke ster” genoemd. Dit percentage is veel hoger bij grote, koele sterren (“rode reuzen”) – in feite zijn bijna alle lichtgevende sterren van dat type veranderlijk. Dergelijke sterren staan bekend als “Mira-variabelen”; de naam komt van de meest prominente ster van deze klasse, Omicron Ceti in het sterrenbeeld Cetus (de Walvis), ook bekend als “Stella Mira” (de Wonderbaarlijke Ster). Zijn helderheid verandert met een periode van 332 dagen en hij is ongeveer 1500 keer helderder op maximum (zichtbare magnitude 2 en een van de vijftig helderste sterren aan de hemel) dan op minimum (magnitude 10 en alleen zichtbaar in kleine telescopen) .
Stars zoals Omicron Ceti naderen het einde van hun leven. Zij zijn zeer groot en hebben afmetingen van een paar honderd tot ongeveer duizend maal die van de zon. De variatie in helderheid is het gevolg van pulsaties waarbij de temperatuur en de grootte van de ster drastisch veranderen.
In de volgende evolutiefase zullen Mira-variabelen hun buitenste lagen in de omringende ruimte afwerpen en zichtbaar worden als planetaire nevels met een hete en compacte ster (een “witte dwerg”) in het midden van een nevel van gas en stof.
Er zijn momenteel enkele duizenden Mira-type sterren bekend in het Melkwegstelsel en er zijn er enkele honderden gevonden in andere nabije sterrenstelsels, waaronder de Magelhaense Wolken.
Het eigenaardige sterrenstelsel Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) is het dichtstbijzijnde reuzenstelsel, op een afstand van ongeveer 13 miljoen lichtjaar. Het bevindt zich buiten de Lokale Groep van Melkwegstelsels waartoe ons eigen melkwegstelsel, de Melkweg, en zijn satellietstelsels, de Magelhaense Wolken, behoren.
Centaurus A is te zien in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Centaurus. Het is elliptisch van vorm en fuseert momenteel met een begeleidend sterrenstelsel, waardoor het een van de meest spectaculaire objecten aan de hemel is, cf. ESO Persfoto eso0315 . Het bezit een zeer zwaar zwart gat in zijn centrum en is een bron van sterke radio- en röntgenstraling.
Tijdens het huidige onderzoeksprogramma werden twee regio’s in Centaurus A afgezocht naar sterren met variabele helderheid; zij bevinden zich in de periferie van dit eigenaardige melkwegstelsel, cf. eso0315b . Een buitenste veld (“Veld 1”) valt samen met een stellaire schil met veel blauwe en heldere sterren die door de aan de gang zijnde fusie van het melkwegstelsel zijn ontstaan; het ligt op een afstand van 57.000 lichtjaar van het centrum. Het binnenste veld (“Veld 2”) is drukker en ligt op een geschatte afstand van ongeveer 30.000 lichtjaar van het centrum..
Drie jaar VLT-waarnemingen
Onder normale omstandigheden heeft elk team van professionele astronomen slechts gedurende een zeer beperkt aantal opeenvolgende nachten per jaar toegang tot de grootste telescopen ter wereld. Maar uitgebreide zoektochten naar veranderlijke sterren zoals deze vereisen herhaalde waarnemingen van minuten tot uren over perioden van maanden tot jaren. Het is dus niet haalbaar om dergelijke waarnemingen te doen op de klassieke manier, waarbij de astronomen telkens naar de telescoop reizen.
Gelukkig genoeg is het operationele systeem van de VLT in de Paranal-sterrenwacht van de ESO (Chili) ook toegerust voor dit soort langetermijnprogramma’s. Tussen april 1999 en juli 2002 is de 8,2-m VLT ANTU-telescoop op Cerro Paranal in Chili vele malen in de dienstmodus gebruikt om K-bandbeelden te verkrijgen van de twee velden in Centaurus A met behulp van het nabij-infrarode ISAAC-multimodusinstrument. Elk veld werd in de loop van deze driejarige periode meer dan 20 keer waargenomen; sommige beelden werden verkregen tijdens uitzonderlijke seeingomstandigheden van 0,30 boogseconde. Een set aanvullende optische beelden werd verkregen met het FORS1 multi-mode instrument (ook op VLT ANTU) in juli 1999.
Elk beeld van het ISAAC instrument bestrijkt een hemelveld van 2,5 x 2,5 boogmin 2. De gecombineerde beelden, met een totale belichtingstijd van 20 uur, zijn inderdaad de diepste infraroodbeelden die ooit zijn gemaakt van de halo van een melkwegstelsel zo ver weg als Centaurus A, ongeveer 13 miljoen lichtjaar.
Ontdekking van duizend Mira-variabelen
Nadat de langdurige waarnemingen waren voltooid, waren er nog twee stappen nodig om de variabele sterren in Centaurus A te identificeren.
Eerst werd elk ISAAC-frame afzonderlijk verwerkt om de duizenden en duizenden zwakke punt-achtige afbeeldingen (sterren) die in deze velden zichtbaar waren, te identificeren. Vervolgens werden alle beelden vergeleken met behulp van een speciaal softwarepakket (“DAOPHOT”) om de helderheid van al deze sterren in de verschillende frames te meten, d.w.z,
Hoewel de meeste sterren in deze velden zoals verwacht een constante helderheid bleken te hebben, vertoonden meer dan 1000 sterren variaties in helderheid met de tijd; dit is verreweg het grootste aantal variabele sterren dat ooit in een sterrenstelsel buiten de Lokale Groep van Melkwegstelsels is ontdekt.
De gedetailleerde analyse van deze enorme dataset nam meer dan een jaar in beslag. De meeste veranderlijke sterren bleken van het Mira-type te zijn en hun lichtkrommen (helderheid over de pulsatieperiode) werden gemeten, cf. ESO Persfoto eso0315 . Voor elk van hen werden de waarden van de karakteriserende parameters, de periode (dagen) en de helderheidsamplitude (magnitudes) bepaald. Een catalogus van de nieuw ontdekte veranderlijke sterren in Centaurus A is nu beschikbaar gesteld aan de astronomische gemeenschap via het Europese onderzoekstijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Marina Rejkuba is verheugd en dankbaar: “We zijn echt heel gelukkig dat we dit ambitieuze project zo succesvol hebben kunnen uitvoeren. Het hing allemaal kritisch af van verschillende factoren: de herhaalde toekenning van cruciale waarnemingstijd door het ESO Observing Programmes Committee over verschillende waarnemingsperioden tegenover een strenge internationale concurrentie, de stabiliteit en betrouwbaarheid van de telescoop en het ISAAC-instrument over een periode van meer dan drie jaar en, niet in het minst, de uitstekende kwaliteit van de service mode-waarnemingen, zo efficiënt uitgevoerd door het personeel van het Paranal Observatory.”
Wat hebben we geleerd over Centaurus A?
De huidige studie van veranderlijke sterren in dit reusachtige elliptische sterrenstelsel is de allereerste in zijn soort. Hoewel de evaluatie van het zeer grote waarnemingsgegevensmateriaal nog niet is voltooid, heeft zij al tot een aantal zeer nuttige wetenschappelijke resultaten geleid.
Bevestiging van de aanwezigheid van een populatie van middelbare leeftijd
Op basis van eerder onderzoek (optische en nabije-IR kleur-magnitudediagrammen van de sterren in de velden) had het huidige team van astronomen al eerder de aanwezigheid van populaties van middelbare leeftijd en jonge sterren in de halo van dit melkwegstelsel ontdekt. De jongste sterren lijken te zijn uitgelijnd met de krachtige straal die door het massieve zwarte gat in het centrum wordt geproduceerd.
Enkele van de zeer heldere rode veranderlijke sterren die nu zijn ontdekt, bevestigen de aanwezigheid van een populatie van sterren van middelbare leeftijd in de halo van dit melkwegstelsel. Het draagt ook bij aan ons begrip van hoe reusachtige elliptische sterrenstelsels worden gevormd.
Nieuwe meting van de afstand tot Centaurus A
De pulsatie van Mira-type veranderlijke sterren volgt een periode-lichtkracht relatie. Hoe langer de periode, hoe helderder een ster van het type Mira.
Dit feit maakt het mogelijk om sterren van het type Mira te gebruiken als “standaardkaarsen” (objecten met een bekende intrinsieke helderheid) voor afstandsbepalingen. Ze zijn in feite vaak op deze manier gebruikt om nauwkeurige afstanden te meten tot meer nabije objecten, bijvoorbeeld tot individuele clusters van sterren en tot het centrum in ons Melkwegstelsel, en ook tot sterrenstelsels in de Lokale Groep, in het bijzonder de Magelhaense Wolken.
Deze methode werkt bijzonder goed met infrarood-metingen en de astronomen waren nu in staat om de afstand tot Centaurus A op deze nieuwe manier te meten. Zij vonden 13,7 ± 1,9 miljoen lichtjaar, in algemene overeenstemming met en dus een bevestiging van andere methoden.
Studie van stellaire populatiegradiënten in de halo van een reusachtig elliptisch sterrenstelsel
De twee hier bestudeerde velden bevatten verschillende populaties van sterren. Er wordt een duidelijke afhankelijkheid van de locatie (een “gradiënt”) binnen het sterrenstelsel waargenomen, die te wijten kan zijn aan verschillen in chemische samenstelling of leeftijd, of aan een combinatie van beide.
Inzicht in de oorzaak van deze gradiënt zal extra aanwijzingen opleveren over hoe Centaurus A – en eigenlijk alle reusachtige elliptische sterrenstelsels – werd gevormd en sindsdien is geëvolueerd.
Vergelijking met andere bekende nabije sterrenstelsels
In het verleden zijn overal in de Melkweg, ons eigen melkwegstelsel, en in andere nabije sterrenstelsels van de Lokale Groep, variabele sterren van het Mira-type ontdekt. Er zijn echter geen reusachtige elliptische sterrenstelsels zoals Centaurus A in de Lokale Groep en dit is de eerste keer dat het mogelijk is geweest om dit soort sterren in dat type sterrenstelsel te identificeren.
Het huidige onderzoek opent nu een nieuw venster naar studies van de stellaire bestanddelen van dergelijke sterrenstelsels.
Noten
Het team bestaat uit Marina Rejkuba en David Silva (ESO-Garching, Duitsland), Tim Bedding (School of Physics and Astronomy, Sydney University, Australië) en Dante Minniti (Departamento de Astronomía en FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chili).
Mira ( Omicron Ceti ), een koele rode reuzenster, is een van de beroemdste veranderlijke sterren aan de hemel. David Fabricius (Oost-Friesland, Duitsland) zou deze ster in 1596 hebben ontdekt toen hij op zoek was naar de planeet Mercurius. In 1638 stelde Johann Holwarda uit hetzelfde gebied vast dat hij een periode van 11 maanden had en werd daarmee de eerste langperiodieke variabele die werd ontdekt. In 1642 gaf Johannes Hevelius (Danzig, nu Polen) de ster de naam Mira , “De Wonderbare”. Later werd ontdekt dat het een dubbelstersysteem is. Een hele klasse van veranderlijke sterren is naar deze ster genoemd. Volgens astronomische definities zijn “Mira-type” sterren variabelen met een periode van ongeveer 100 – 1000 dagen en met visuele lichtvariaties van meer dan 2,5 magnitudes.
Meer informatie
Het in dit persbericht beschreven onderzoek wordt gepresenteerd in een onderzoeksartikel dat binnenkort verschijnt in het Europese onderzoekstijdschrift Astronomy & Astrophysics (“Long Period Variables in NGC 5128: I. Catalogue” door Marina Rejkuba et al.). Het is op het web beschikbaar als astro-ph/0305432 .
Links
Het ISAAC multi-mode instrument op de 8,2-m VLT ANTU telescoop bij de ESO Paranal Observatory.
Contacten
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Duitsland
Tel: +49 89 3200-6453
Email: [email protected]
Connect met ESO op sociale media