First-Ever Census of Variable Mira-Type Stars in Galaxy Outside the Local Group
10 czerwca 2003
Międzynarodowy zespół kierowany przez astronomkę ESO Marinę Rejkubę odkrył ponad 1000 świecących czerwonych gwiazd zmiennych w pobliskiej galaktyce eliptycznej Centaurus A (NGC 5128). Dokładne pomiary zmian jasności i okresów tych gwiazd ujawniły, że są to w większości chłodne gwiazdy zmienne o długim okresie tak zwanego „typu Mira”. Obserwowana zmienność jest spowodowana pulsacją gwiazd. Po raz pierwszy dokonano szczegółowego spisu gwiazd zmiennych dla galaktyki spoza Lokalnej Grupy Galaktyk (której członkiem jest galaktyka Drogi Mlecznej, w której żyjemy). Otwiera to również zupełnie nowe okno do szczegółowych badań zawartości gwiazd i ewolucji olbrzymich galaktyk eliptycznych. Przypuszcza się, że te masywne obiekty odgrywają główną rolę w grawitacyjnym łączeniu się gromad galaktyk we Wszechświecie (szczególnie we wczesnych fazach). Ten bezprecedensowy projekt badawczy opiera się na obserwacjach w bliskiej podczerwieni uzyskanych w ciągu ponad trzech lat za pomocą wielomodowego instrumentu ISAAC w 8,2-m teleskopie VLT ANTU w Obserwatorium ESO Paranal.
Gwiazdy zmienne typu Mira
Wśród gwiazd widocznych na niebie nieuzbrojonym okiem, mniej więcej jedna na trzysta (0,3%) wykazuje zmiany jasności i jest określana przez astronomów jako „gwiazda zmienna”. Odsetek ten jest znacznie wyższy wśród dużych, chłodnych gwiazd („czerwonych olbrzymów”) – w rzeczywistości prawie wszystkie świecące gwiazdy tego typu są zmienne. Takie gwiazdy znane są jako zmienne typu Mira; nazwa pochodzi od najbardziej widocznego przedstawiciela tej klasy, Omicron Ceti w gwiazdozbiorze Cetus (Wieloryba), znanego również jako „Stella Mira” (Cudowna Gwiazda). Jej jasność zmienia się z okresem 332 dni i jest ona około 1500 razy jaśniejsza w maksimum (widoczna magnitudo 2 i jedna z pięćdziesięciu najjaśniejszych gwiazd na niebie) niż w minimum (magnitudo 10 i widoczna tylko w małych teleskopach) .
Gwiazdy takie jak Omicron Ceti zbliżają się do końca swojego życia. Są one bardzo duże i mają rozmiary od kilkuset do około tysiąca razy większe od Słońca. Zmienność jasności jest spowodowana pulsacjami, podczas których temperatura i rozmiar gwiazdy zmieniają się dramatycznie.
W następnej fazie ewolucji zmienne Mira zrzucą swoje zewnętrzne warstwy do otaczającej przestrzeni i staną się widoczne jako mgławice planetarne z gorącą i zwartą gwiazdą („białym karłem”) w środku mgławicy gazu i pyłu.
Kilkanaście tysięcy gwiazd typu Mira jest obecnie znanych w galaktyce Drogi Mlecznej, a kilkaset znaleziono w innych pobliskich galaktykach, w tym w Obłokach Magellana.
Galaktyka osobliwa Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) jest najbliższą galaktyką olbrzymią, w odległości około 13 milionów lat świetlnych. Znajduje się ona poza Lokalną Grupą Galaktyk, do której należy nasza własna galaktyka, Droga Mleczna, oraz jej galaktyki satelitarne, Obłoki Magellana.
Centaurus A jest widoczny w kierunku południowego gwiazdozbioru Centaura. Ma eliptyczny kształt i obecnie łączy się z galaktyką towarzyszącą, co czyni ją jednym z najbardziej spektakularnych obiektów na niebie, por. zdjęcie prasowe ESO eso0315 . Posiada bardzo ciężką czarną dziurę w swoim centrum i jest źródłem silnej emisji radiowej i rentgenowskiej.
Podczas obecnego programu badawczego, dwa regiony w Centaurze A zostały przeszukane w poszukiwaniu gwiazd o zmiennej jasności; znajdują się one na peryferiach tej osobliwej galaktyki, por. eso0315b . Pole zewnętrzne („Pole 1”) pokrywa się z otoczką gwiazdową z wieloma niebieskimi i świecącymi gwiazdami powstałymi w wyniku trwającej fuzji galaktyk; leży ono w odległości 57 000 lat świetlnych od centrum. Wewnętrzne pole („Pole 2”) jest bardziej zatłoczone i znajduje się w przewidywanej odległości około 30 000 lat świetlnych od centrum..
Trzy lata obserwacji VLT
W normalnych warunkach, każdy zespół profesjonalnych astronomów będzie miał dostęp do największych teleskopów na świecie tylko przez bardzo ograniczoną liczbę kolejnych nocy każdego roku. Jednakże, szeroko zakrojone poszukiwania gwiazd zmiennych, takie jak obecne, wymagają powtarzających się obserwacji trwających od minut do godzin w okresach od miesięcy do lat. Nie jest więc możliwe prowadzenie takich obserwacji w klasyczny sposób, w którym astronomowie za każdym razem podróżują do teleskopu.
Na szczęście system operacyjny VLT w Obserwatorium ESO Paranal (Chile) jest również przystosowany do prowadzenia tego rodzaju długoterminowego programu. W okresie od kwietnia 1999 do lipca 2002 roku 8,2-m teleskop VLT ANTU na Cerro Paranal w Chile) był wielokrotnie eksploatowany w trybie serwisowym w celu uzyskania obrazów w paśmie K dwóch pól w Centaurze A za pomocą wielomodowego instrumentu ISAAC pracującego w bliskiej podczerwieni. Każde z pól było obserwowane ponad 20 razy w ciągu tego trzyletniego okresu; niektóre z obrazów zostały uzyskane podczas wyjątkowych warunków widzenia rzędu 0,30 arcsec. Jeden zestaw uzupełniających obrazów optycznych uzyskano za pomocą instrumentu wielomodowego FORS1 (również na VLT ANTU) w lipcu 1999 roku.
Każdy obraz z instrumentu ISAAC obejmuje pole nieba o rozmiarach 2,5 x 2,5 arcmin 2. Połączone obrazy, obejmujące łącznie 20 godzin ekspozycji, są rzeczywiście najgłębszymi obrazami w podczerwieni, jakie kiedykolwiek wykonano dla halo jakiejkolwiek galaktyki tak odległej jak Centaurus A, około 13 milionów lat świetlnych.
Odkrycie tysiąca zmiennych Mira
Po zakończeniu długotrwałych obserwacji konieczne były dwa kolejne kroki, aby zidentyfikować gwiazdy zmienne w Centaurze A .
Po pierwsze, każda ramka ISAAC została indywidualnie przetworzona, aby zidentyfikować tysiące i tysiące słabych, punktowych obrazów (gwiazd) widocznych w tych polach. Następnie, wszystkie obrazy zostały porównane przy użyciu specjalnego pakietu oprogramowania („DAOPHOT”) w celu zmierzenia jasności wszystkich tych gwiazd w różnych klatkach, tj, w funkcji czasu.
Podczas gdy większość gwiazd w tych polach zgodnie z oczekiwaniami miała stałą jasność, ponad 1000 gwiazd wykazywało zmiany jasności w czasie; jest to zdecydowanie największa liczba gwiazd zmiennych, jaką kiedykolwiek odkryto w galaktyce poza Lokalną Grupą Galaktyk.
Szczegółowa analiza tego ogromnego zbioru danych zajęła ponad rok. Większość gwiazd zmiennych uznano za należące do typu Mira i zmierzono ich krzywe blasku (jasność w okresie pulsacji), por. zdjęcie prasowe ESO eso0315 . Dla każdej z nich wyznaczono wartości charakterystycznych parametrów, okresu (dni) i amplitudy jasności (magnitudo). Katalog nowo odkrytych gwiazd zmiennych w Centaurze A został teraz udostępniony społeczności astronomicznej za pośrednictwem europejskiego czasopisma naukowego Astronomy & Astrophysics.
Marina Rejkuba jest zadowolona i wdzięczna: „Mamy naprawdę wielkie szczęście, że udało nam się tak pomyślnie zrealizować ten ambitny projekt. Wszystko zależało od różnych czynników: wielokrotnego przyznawania kluczowego czasu obserwacyjnego przez Komitet Programów Obserwacyjnych ESO w różnych okresach obserwacyjnych w obliczu rygorystycznej międzynarodowej konkurencji, stabilności i niezawodności teleskopu i instrumentu ISAAC w okresie ponad trzech lat oraz, co nie mniej ważne, doskonałej jakości obserwacji w trybie serwisowym, tak sprawnie wykonywanych przez personel Obserwatorium Paranal.”
Czego dowiedzieliśmy się o Centaurze A?
Obecne badania gwiazd zmiennych w tej gigantycznej galaktyce eliptycznej są pierwszymi tego typu badaniami w historii. Chociaż ocena bardzo dużego materiału danych obserwacyjnych nie jest jeszcze zakończona, już doprowadziła do wielu bardzo użytecznych wyników naukowych.
Potwierdzenie obecności populacji w średnim wieku
Na podstawie wcześniejszych badań (optycznych i bliskich podczerwieni diagramów kolor-magnitudo gwiazd w polach), obecny zespół astronomów wykrył wcześniej obecność populacji gwiazd w średnim wieku i młodych w halo tej galaktyki. Najmłodsze gwiazdy wydają się być ustawione w linii z potężnym dżetem produkowanym przez masywną czarną dziurę w centrum.
Niektóre z odkrytych obecnie bardzo jasnych czerwonych gwiazd zmiennych potwierdzają obecność populacji gwiazd w średnim wieku w halo tej galaktyki. Przyczynia się to również do naszego zrozumienia, jak tworzą się gigantyczne galaktyki eliptyczne.
Nowy pomiar odległości do Centaura A
Pulsacja gwiazd zmiennych typu Mira spełnia zależność okres-światłość. Im dłuższy okres, tym gwiazda typu Mira jest bardziej jasna.
Fakt ten pozwala na użycie gwiazd typu Mira jako „świec standardowych” (obiektów o znanej jasności własnej) do wyznaczania odległości. W rzeczywistości były one często używane w ten sposób do mierzenia dokładnych odległości do bardziej pobliskich obiektów, np. do pojedynczych gromad gwiazd i do centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej, a także do galaktyk w Grupie Lokalnej, w szczególności Obłoków Magellana.
Metoda ta sprawdza się szczególnie dobrze w pomiarach w podczerwieni i astronomowie byli teraz w stanie zmierzyć odległość do Centaura A w ten nowy sposób. Znaleźli 13,7 ± 1,9 miliona lat świetlnych, w ogólnej zgodzie z innymi metodami i potwierdzając je.
Study of stellar population gradients in the halo of a giant elliptical galaxy
Dwa badane tu pola zawierają różne populacje gwiazd. Obserwuje się wyraźną zależność od lokalizacji („gradient”) w obrębie galaktyki, która może być spowodowana różnicami w składzie chemicznym lub wieku, albo kombinacją obu tych czynników.
Zrozumienie przyczyny tego gradientu dostarczy dodatkowych wskazówek na temat tego, jak Centaurus A – i w istocie wszystkie olbrzymie galaktyki eliptyczne – został uformowany i od tego czasu ewoluował.
Porównanie z innymi znanymi pobliskimi galaktykami
Poprzednie poszukiwania odkryły gwiazdy zmienne typu Mira w całej Drodze Mlecznej, naszej galaktyce macierzystej, oraz w innych pobliskich galaktykach w Grupie Lokalnej. Jednak w Grupie Lokalnej nie ma gigantycznych galaktyk eliptycznych takich jak Centaurus A i po raz pierwszy udało się zidentyfikować ten rodzaj gwiazd w tym typie galaktyk.
Teraz badania otwierają nowe okno dla badań składników gwiazdowych takich galaktyk.
Notatki
W skład zespołu wchodzą Marina Rejkuba i David Silva (ESO-Garching, Niemcy), Tim Bedding (School of Physics and Astronomy, Sydney University, Australia) oraz Dante Minniti (Departamento de Astronomía and FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chile).
Mira ( Omicron Ceti ), chłodna czerwona gwiazda olbrzymia, jest jedną z najbardziej znanych gwiazd zmiennych na niebie. Uznaje się, że David Fabricius (Wschodnia Fryzja, Niemcy) odkrył ją w 1596 roku podczas poszukiwań planety Merkury. W 1638 roku Johann Holwarda z tej samej okolicy wyznaczył jej okres na 11 miesięcy i tym samym ustanowił ją pierwszą odkrytą zmienną długookresową. W 1642 roku Johannes Hevelius (Danzig, obecnie Polska) nazwał gwiazdę Mira , „Cudowna”. Później okazało się, że jest to układ podwójny gwiazd. Cała klasa gwiazd zmiennych została nazwana na cześć tej gwiazdy. Według astronomicznej definicji, gwiazdy typu Mira to gwiazdy zmienne o okresie około 100 – 1000 dni i o wizualnych zmianach jasności większych niż 2,5 magnitudo.
Więcej informacji
Badania opisane w tej informacji prasowej zostały przedstawione w artykule naukowym, który wkrótce ukaże się w europejskim czasopiśmie naukowym Astronomy & Astrophysics („Long Period Variables in NGC 5128: I. Catalogue” autorstwa Mariny Rejkuby et al.). Jest on dostępny w sieci jako astro-ph/0305432 .
Linki
Instrument wielomodowy ISAAC na 8,2-m teleskopie VLT ANTU w Obserwatorium ESO Paranal.
Kontakty
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Niemcy
Tel: +49 89 3200-6453
Email: [email protected]
Connect with ESO on social media
.