Första mätningen någonsin av variabla mira-Type Stars in Galaxy Outside the Local Group
10 juni 2003
En internationell grupp ledd av ESO-astronomen Marina Rejkuba har upptäckt mer än 1000 lysande röda variabla stjärnor i den närbelägna elliptiska galaxen Centaurus A (NGC 5128). Ljusstyrkaförändringar och perioder för dessa stjärnor mättes noggrant och avslöjar att de mestadels är svala variabla stjärnor med långa perioder av den så kallade ”Mira-typen”. Den observerade variabiliteten orsakas av stjärnpulsering. Detta är första gången som en detaljerad inventering av variabla stjärnor har genomförts för en galax utanför den lokala gruppen av galaxer (där Vintergatan som vi lever i är medlem). Det öppnar också ett helt nytt fönster för en detaljerad studie av stjärnornas innehåll och utveckling i elliptiska jättegalaxer. Dessa massiva objekt antas spela en viktig roll i den gravitationella sammansättningen av galaxhopar i universum (särskilt under de tidiga faserna). Detta forskningsprojekt utan motstycke bygger på nära infraröda observationer som erhållits under mer än tre år med ISAAC-multimodeinstrumentet vid 8,2-m VLT ANTU-teleskopet vid ESO:s Paranalobservatorium.
Variabla stjärnor av mira-typ
Av de stjärnor som är synliga på himlen med blotta ögat uppvisar ungefär en av trehundra (0,3 %) variationer i ljusstyrka, och astronomer kallar detta för en ”variabel stjärna”. Procentandelen är mycket högre bland stora, kalla stjärnor (”röda jättar”) – i själva verket är nästan alla lysande stjärnor av den typen variabla. Sådana stjärnor kallas Mira-variabler ; namnet kommer från den mest framträdande medlemmen i denna klass, Omicron Ceti i stjärnbilden Cetus (valen), även känd som ”Stella Mira” (den underbara stjärnan). Dess ljusstyrka ändras med en period på 332 dagar och den är ungefär 1500 gånger ljusare vid maximum (synlig magnitud 2 och en av de femtio ljusaste stjärnorna på himlen) än vid minimum (magnitud 10 och endast synlig i små teleskop) .
Stjärnor som Omicron Ceti närmar sig slutet av sitt liv. De är mycket stora och har storlekar från några hundra till omkring tusen gånger solens storlek. Variationen i ljusstyrka beror på pulsationer under vilka stjärnans temperatur och storlek förändras dramatiskt.
I den följande utvecklingsfasen kommer Mira-variablerna att avkasta sina yttre skikt i det omgivande rymden och bli synliga som planetariska nebulosor med en varm och kompakt stjärna (en ”vit dvärg”) i mitten av en nebulosa av gas och stoft.
Flera tusen stjärnor av Mira-typ är för närvarande kända i Vintergatan och några hundra har hittats i andra närliggande galaxer, inklusive Magellanska molnen.
Den märkliga galaxen Centaurus A
Centaurus A (NGC 5128) är den närmsta jättegalaxen, på ett avstånd av cirka 13 miljoner ljusår. Den ligger utanför den lokala gruppen av galaxer till vilken vår egen galax, Vintergatan, och dess satellitgalaxer, Magellanska molnen, hör.
Centaurus A ses i riktning mot det södra stjärnbilden Centaurus. Den har en elliptisk form och smälter för närvarande samman med en kompanjongalax, vilket gör den till ett av de mest spektakulära objekten på himlen, jfr ESO Press Photo eso0315 . Den har ett mycket tungt svart hål i sitt centrum och är en källa till stark radio- och röntgenstrålning.
Under detta forskningsprogram söktes två regioner i Centaurus A efter stjärnor med varierande ljusstyrka; de är belägna i periferin av denna säregna galax, jfr eso0315b . Ett yttre fält (”fält 1”) sammanfaller med ett stjärnhölje med många blå och ljusstarka stjärnor som producerats av den pågående galaxfusionen; det ligger på ett avstånd av 57 000 ljusår från centrum. Det inre fältet (”fält 2”) är mer trångt och ligger på ett beräknat avstånd av cirka 30 000 ljusår från centrum..
Tre år av VLT-observationer
Under normala omständigheter kommer ett team av professionella astronomer att ha tillgång till världens största teleskop endast under ett mycket begränsat antal på varandra följande nätter varje år. Omfattande sökningar efter variabla stjärnor som denna kräver dock upprepade observationer som varar i minuter till timmar under perioder på månader till år. Det är alltså inte möjligt att utföra sådana observationer på det klassiska sättet där astronomerna reser till teleskopet varje gång.
Tyvärr är det operativa systemet för VLT vid ESO:s Paranalobservatorium (Chile) också anpassat för att omfatta denna typ av långtidsprogram. Mellan april 1999 och juli 2002 användes 8,2-m VLT ANTU-teleskopet på Cerro Paranal i Chile) i serviceläge vid många tillfällen för att få K-bandsbilder av de två fälten i Centaurus A med hjälp av det närinfraröda ISAAC-multimodinstrumentet. Varje fält observerades mer än 20 gånger under denna treårsperiod; några av bilderna togs under exceptionella seeingförhållanden på 0,30 arcsec. En uppsättning kompletterande optiska bilder togs med FORS1 multi-mode-instrumentet (också på VLT ANTU) i juli 1999.
Varje bild från ISAAC-instrumentet täcker ett himmelfält som mäter 2,5 x 2,5 bågminuter 2. De kombinerade bilderna, som omfattar en sammanlagd exponering på 20 timmar, är de djupaste infraröda bilderna som någonsin har gjorts av halogen till en galax som är så avlägsen som Centaurus A, cirka 13 miljoner ljusår.
Upptäckt av tusen Mira-variabler
När de långa observationerna var klara behövdes ytterligare två steg för att identifiera de variabla stjärnorna i Centaurus A .
För det första bearbetades varje ISAAC-bild individuellt för att identifiera de tusentals och åter tusentals svaga punktliknande bilder (stjärnor) som är synliga i dessa fält. Därefter jämfördes alla bilder med hjälp av ett särskilt programpaket (”DAOPHOT”) för att mäta ljusstyrkan hos alla dessa stjärnor i de olika ramarna, dvs, som en funktion av tiden.
Men medan de flesta stjärnor i dessa fält som förväntat visade sig ha konstant ljusstyrka, uppvisade mer än 1 000 stjärnor variationer i ljusstyrka med tiden; detta är det överlägset största antalet variabla stjärnor som någonsin har upptäckts i en galax utanför den lokala gruppen av galaxer.
Den detaljerade analysen av denna enorma datamängd tog mer än ett år. De flesta av de variabla stjärnorna befanns vara av Mira-typ och deras ljuskurvor (ljusstyrka under pulsationsperioden) mättes, se ESO Press Photo eso0315 . För var och en av dem bestämdes värden för de karakteristiska parametrarna, perioden (dagar) och ljusstyrkaamplituden (magnituder). En katalog över de nyupptäckta variabla stjärnorna i Centaurus A har nu gjorts tillgänglig för det astronomiska samfundet via den europeiska forskningstidskriften Astronomy & Astrophysics.
Marina Rejkuba är glad och tacksam: ”Vi är verkligen mycket lyckligt lottade att ha genomfört detta ambitiösa projekt så framgångsrikt. Allt berodde kritiskt på olika faktorer: att ESO:s kommitté för observationsprogram upprepade gånger beviljade viktig observationstid under olika observationsperioder i en hård internationell konkurrens, att teleskopet och ISAAC-instrumentet var stabila och tillförlitliga under en period av mer än tre år och, inte minst, att observationerna i serviceläget var av utmärkt kvalitet och utfördes så effektivt av personalen vid Paranal-observatoriet.”
Vad har vi lärt oss om Centaurus A?
Den nuvarande studien av variabla stjärnor i denna gigantiska elliptiska galax är den första någonsin i sitt slag. Även om utvärderingen av det mycket stora observationsdatamaterialet ännu inte är klar har den redan lett till ett antal mycket användbara vetenskapliga resultat.
Bekräftelse av närvaron av en population i mellanstadieåldern
Baserat på tidigare forskning (optiska och nära-IR-färg-magnituddiagram av stjärnorna i fälten) hade det nuvarande teamet av astronomer tidigare upptäckt närvaron av populationer av stjärnor i mellanstadieåldern och unga stjärnpopulationer i halon av den här galaxen. De yngsta stjärnorna tycks vara i linje med den kraftfulla stråle som produceras av det massiva svarta hålet i centrum.
Några av de mycket ljusstarka röda variabla stjärnor som nu har upptäckts bekräftar förekomsten av en population av stjärnor i mellanstadieåldern i den här galaxens halo. Den bidrar också till vår förståelse av hur jättelika elliptiska galaxer bildas.
Ny mätning av avståndet till Centaurus A
Pulsationen hos variabla stjärnor av Mira-typ lyder under ett period-luminositetsförhållande. Ju längre period, desto mer lysande är en stjärna av Mira-typ.
Detta faktum gör det möjligt att använda stjärnor av Mira-typ som ”standardljus” (objekt med känd inneboende ljusstyrka) för avståndsbestämningar. De har faktiskt ofta använts på detta sätt för att mäta exakta avstånd till mer närliggande objekt, t.ex. till enskilda stjärnhopar och till centrum i vår galax Vintergatan, och även till galaxer i den lokala gruppen, särskilt Magellanmolnen.
Denna metod fungerar särskilt bra med infraröda mätningar och astronomerna kunde nu mäta avståndet till Centaurus A på detta nya sätt. De fann 13,7 ± 1,9 miljoner ljusår, vilket i stort sett stämmer överens med och därmed bekräftar andra metoder.
Studie av gradienter i stjärnpopulationen i halo av en jättelik elliptisk galax
De två fält som här studeras innehåller olika populationer av stjärnor. Ett tydligt beroende av platsen (en ”gradient”) inom galaxen observeras, vilket kan bero på skillnader i kemisk sammansättning eller ålder, eller på en kombination av båda.
Förståelsen av orsaken till denna gradient kommer att ge ytterligare ledtrådar till hur Centaurus A – och i själva verket alla elliptiska jättegalaxer – bildades och sedan dess har utvecklats.
Varje jämförelse med andra välkända närliggande galaxer
Förra sökningar har upptäckt variabla stjärnor av Mira-typ i hela Vintergatan, vår hemgalax, och i andra närliggande galaxer i den lokala gruppen. Det finns dock inga elliptiska jättegalaxer som Centaurus A i den lokala gruppen och detta är första gången som det har varit möjligt att identifiera den här typen av stjärnor i den typen av galaxer.
Denna undersökning öppnar nu ett nytt fönster mot studier av stjärnornas beståndsdelar i sådana galaxer.
Notiser
Teamet består av Marina Rejkuba och David Silva (ESO-Garching, Tyskland), Tim Bedding (School of Physics and Astronomy, Sydney University, Australien) och Dante Minniti (Departamento de Astronomía och FONDAP Center for Astrophysics, Pontifica Universidad Catolica de Chile, Santiago, Chile).
Mira ( Omicron Ceti ), en kall röd jättestjärna, är en av de mest kända variabla stjärnorna på himlen. David Fabricius (Östfriesland, Tyskland) anses ha upptäckt den 1596 när han letade efter planeten Merkurius. År 1638 fastställde Johann Holwarda från samma område att dess period var 11 månader och fastställde den därmed som den första variabla stjärnan med lång period som upptäcktes. År 1642 gav Johannes Hevelius (Danzig, nuvarande Polen) stjärnan namnet Mira , ”Den underbara”. Den har senare visat sig vara ett binärt stjärnsystem. En hel klass av variabla stjärnor har fått sitt namn efter denna stjärna. Enligt astronomisk definition är stjärnor av ”Mira-typ” variabla stjärnor med en period på omkring 100-1000 dagar och med visuella ljusvariationer på mer än 2,5 magnituder. .
Mer information
Den forskning som beskrivs i detta pressmeddelande presenteras i en forskningsartikel som snart kommer att publiceras i den europeiska forskningstidskriften Astronomy & Astrophysics (”Long Period Variables in NGC 5128: I. Catalogue” av Marina Rejkuba m.fl.) Den finns tillgänglig på webben som astro-ph/0305432 .
Links
Instrumentet ISAAC multi-mode vid 8,2-m VLT ANTU-teleskopet vid ESO Paranal-observatoriet.
Kontakter
Marina Rejkuba
ESO
Garching, Tyskland
Tel: +49 89 3200-6453
Email: [email protected]
Koppla upp dig med ESO på sociala medier