Een team van astronomen heeft onlangs de infrarood-optische telescoopmatrix (IOTA) van Arizona met drie gekoppelde telescopen gebruikt om 4 miljard jaar in de toekomst te kijken, toen onze zon opsteeg om een rode reuzenster te worden. Ze observeerden verschillende rode reuzensterren - het uiteindelijke lot van onze zon - en ontdekten dat hun oppervlakken gevlekt en gevarieerd waren, bedekt met enorme zonnevlekken.
Terwijl astronomen steeds vaker twee telescopen als interferometers koppelen om meer details van verre sterren te onthullen, laat een Keck Observatory-astronoom de kracht zien van het met elkaar verbinden van drie of zelfs meer telescopen.
Astronoom Sam Ragland gebruikte Arizona's infrarood-optische telescoopmatrix (IOTA) van drie gekoppelde telescopen om ongekende details te verkrijgen van oude rode reuzensterren die het uiteindelijke lot van de zon vertegenwoordigen.
Verrassend genoeg ontdekte hij dat bijna een derde van de rode reuzen die hij onderzocht, niet uniform helder over hun hele gezicht was, maar fragmentarisch was, misschien wijzend op grote vlekken of wolken analoog aan zonnevlekken, schokgolven gegenereerd door pulserende enveloppen of zelfs planeten.
"De typische overtuiging is dat sterren symmetrische gasballen moeten zijn", zegt Ragland, specialist in interferometers. "Maar 30 procent van deze rode reuzen vertoonde asymmetrie, wat gevolgen heeft voor de laatste stadia van de evolutie van sterren, wanneer sterren zoals de zon evolueren naar planetaire nevels."
De resultaten van Ragland en zijn collega's bewijzen ook de haalbaarheid van het koppelen van een trio - of zelfs een kwintet of sextet - van infraroodtelescopen om beelden met een hogere resolutie in het nabij-infrarood te krijgen dan voorheen mogelijk was.
'Met meer dan twee telescopen kun je een heel ander soort wetenschap verkennen dan met twee telescopen zou kunnen', zei hij.
"Het is een grote stap om van twee telescopen naar drie te gaan", zegt theoreticus Lee Anne Willson, co-auteur van de studie en professor in de natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University in Ames. "Met drie telescopen kun je niet alleen zien hoe groot de ster is, maar ook of hij symmetrisch of asymmetrisch is. Met nog meer telescopen kun je daar een plaatje van maken. '
Ragland, Willson en hun collega's van instellingen in de Verenigde Staten en Frankrijk, waaronder NASA, rapporteerden hun observaties en conclusies in een paper dat onlangs werd geaccepteerd door The Astrophysical Journal.
Ironisch genoeg werkte de IOTA-telescooparray samen op Mt. Hopkins van het Smithsonian Astrophysical Observatory, Harvard University, de University of Massachusetts, de University of Wyoming en het Lincoln Laboratory van het Massachusetts Institute of Technology werd op 1 juli gesloten om geld te besparen. De eerste interferometer met twee telescopen ging in 1993 online en de toevoeging van een derde telescoop van 45 centimeter in 2000 creëerde het eerste optische en infrarood interferometertrio.
IOTA-directeur Wesley A. Traub, voorheen van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) en nu bij het Jet Propulsion Laboratory, bood Ragland en zijn collega's de mogelijkheid om de array te gebruiken om de grenzen van interferometrie met meerdere telescopen te testen, en misschien leer iets over het uiteindelijke lot van de zon.
Interferometers combineren licht van twee of meer telescopen om meer details te zien en simuleren de resolutie van een telescoop zo groot als de afstand tussen de telescopen. Hoewel radioastronomen jarenlang arrays hebben gebruikt om veel grotere telescopen te simuleren, hebben ze het voordeel van relatief lange golflengten - meters of centimeters - waardoor het gemakkelijker wordt om fractionele golflengteverschillen tussen de aankomsttijden van licht bij gescheiden telescopen te detecteren. Interferometrie doen in het nabij-infrarood - met een golflengte van 1,65 micron, of ongeveer een honderdste millimeter, zoals Ragland deed - is veel moeilijker omdat de golflengten bijna een miljoenste zijn van die van radiogolven.
'Bij korte golflengten is de stabiliteit van het instrument een grote beperking', zei Ragland. "Zelfs een trilling zal de meting volledig vernietigen."
De astronomen gebruikten ook een nieuwe technologie om het licht van de drie IOTA-telescopen te combineren: een half inch brede halfgeleiderchip, de zogenaamde Integrated-Optics Beam-Combiner (IONIC), ontwikkeld in Frankrijk. Dit staat in contrast met de typische interferometer, die uit veel spiegels bestaat om het licht van meerdere telescopen naar een gemeenschappelijke detector te sturen.
De focus van Ragland ligt op lage tot middelzware sterren - variërend van driekwart van de massa van de zon tot driemaal de massa van de zon - als ze het einde van hun leven naderen. Dit zijn sterren die enkele miljarden jaren eerder in rode reuzen ballonden, toen ze begonnen met het verbranden van het helium dat zich had verzameld tijdens een leven van waterstofverbranding. Aan het einde bestaan deze sterren echter uit een dichte kern van koolstof en zuurstof omgeven door een schaal waarin waterstof wordt omgezet in helium en vervolgens helium in koolstof en zuurstof. In de meeste van deze sterren wisselen waterstof en helium elkaar af als brandstoffen, waardoor de helderheid van de ster over een periode van 100.000 jaar varieert als de brandstof verandert. In veel gevallen brengen de sterren hun laatste 200.000 jaar door als een Mira-variabele - een type ster waarvan het licht regelmatig varieert in helderheid over een periode van 80 tot 1000 dagen. Ze zijn genoemd naar de prototype-ster in het sterrenbeeld Cetus dat bekend staat als Mira.
"Een van de redenen waarom ik hierin geïnteresseerd ben, is dat onze zon op een bepaald moment, over 4 miljard jaar, deze weg zal inslaan", zei Ragland.
Het is in deze periode dat deze sterren hun buitenste lagen beginnen af te blazen in een "superwind", die uiteindelijk een witte dwerg achterlaat in het centrum van een uitdijende planetaire nevel. Willson modelleert de mechanismen waarmee deze eindstadiumsterren hun massa verliezen, voornamelijk door sterke sterrenwinden.
Tijdens deze afnemende aionen pulseren de sterren ook in de orde van maanden tot jaren, terwijl de buitenste lagen naar buiten buigen als een ontlastklep, zei Willson. Veel van deze zogenaamde asymptotische reuzentaksterren zijn Mira-variabelen, die regelmatig variëren naarmate moleculen zich vormen en een deel van de tijd een doorschijnende of bijna ondoorzichtige cocon vormen. Hoewel sommige van deze sterren niet-cirkelvormig zijn, zijn asymmetrische kenmerken, zoals fragmentarische helderheid, onmogelijk te detecteren met een interferometer met twee telescopen, zei Ragland.
Ragland en zijn collega's observeerden met IOTA in totaal 35 Mira-variabelen, 18 semi-regelmatige variabelen en 3 onregelmatige variabelen, allemaal binnen ongeveer 1.300 lichtjaren van de aarde, in ons Melkwegstelsel. Twaalf van de Mira-variabelen bleken asymmetrische helderheden te hebben, terwijl slechts drie van de semi-regulars en een van de onregelmatigheden deze fragmentatie vertoonden.
De oorzaak van deze fragmentarische helderheid is onduidelijk, zei Ragland. Modellering door Willson heeft aangetoond dat een metgezel, zoals een planeet in een baan die lijkt op de baan van Jupiter in ons eigen systeem, een wake zou kunnen veroorzaken in de sterrenwind die als asymmetrie zou verschijnen. Zelfs een dichter op de aarde lijkende planeet zou een waarneembaar kielzog kunnen genereren als de stellaire wind sterk genoeg was, hoewel een planeet die te dicht bij de uitgebreide envelop staat snel naar binnen zou worden gesleept en verdampt door de ster.
Als alternatief kunnen grote hoeveelheden materiaal dat door de ster wordt uitgestoten, condenseren tot wolken die een deel of al het licht van een deel van de ster blokkeren.
Wat de oorzaak ook is, zei Willson, 'dit vertelt ons dat de veronderstelling dat sterren uniform helder zijn, onjuist is. Mogelijk moeten we een nieuwe generatie driedimensionale modellen ontwikkelen. '
"Deze studie, de grootste ooit van deze klasse van laat-type sterren, is de eerste die de mate aantoont waarin late type-sterren, vooral de Mira-variabelen en koolstofsterren, de effecten van warme en koude plekken laten zien," zei coauteur William Danchi van NASA Goddard Space Flight Center. "Dit heeft gevolgen voor de manier waarop we waarnemingen interpreteren wanneer we infraroodinterferometers gebruiken om naar planeten rond rode reuzen te zoeken."
De coauteurs van Ragland zijn Traub; Jean-Pierre Berger, P. Kern en F. Malbet van het Laboratoire d’Astrophysique de Grenoble (LAOG) in Frankrijk; Danchi; J. D. Monnier en E. Pedretti van de Universiteit van Michigan, Ann Arbor; Willson; N. P. Carleton, M. G. Lacasse en M. Pearlman van CfA; R. Millan-Gabet van het California Institute of Technology; F. Schloerb, M. Brewer, K. Perraut, K. Souccar en G. Wallace van de Universiteit van Massachusetts, Amherst; W. Cotton van de National Radio Astronomy Observatory in Virginia; Charles H. Townes van de Universiteit van Californië, Berkeley; P. Haguenauer van ALCATEL Space Industries uit Cannes, Frankrijk; en P. Labeye van het Laboratoire d’Electronique de Technologie de l'Information (LETI) in Grenoble, dat deel uitmaakt van de Franse Commissie voor Atoomenergie (CEA). De IONIC-chip is gezamenlijk ontwikkeld door LAOG, het Institut de Microà © lectronique, à ‰ lectromagnà © tisme et Photonique (IMEP) en LETI.
Het werk werd ondersteund door NASA via een Michelson Postdoctoral Fellowship en door de National Science Foundation.
Het W. M. Keck-observatorium wordt beheerd als een wetenschappelijk partnerschap tussen het California Institute of Technology, de University of California en NASA. De sterrenwacht is mogelijk gemaakt door de genereuze financiële steun van de W. Keck Foundation.
Oorspronkelijke bron: Keck News Release
