U heeft inmiddels waarschijnlijk gehoord dat astronomen de eerste wereldwijde weerkaart voor een bruine dwerg hebben gemaakt. (Als je dat nog niet hebt gedaan, kun je het verhaal hier vinden.) Misschien heb je zelfs het kubusmodel of het origami-ballonmodel gebouwd van het oppervlak van de bruine dwerg Luhman 16B die de onderzoekers hebben verstrekt (hier).
Aangezien een van mijn hoeden die van voorlichter bij het Max Planck Instituut voor Astronomie is, waar de meeste kaarten werden gemaakt, was ik betrokken bij het schrijven van een persbericht over het resultaat. Maar een aspect dat ik bijzonder interessant vond, kreeg daar niet veel aandacht. Het is dat dit specifieke onderzoek een goed voorbeeld is van hoe snel astronomie tegenwoordig kan zijn, en meer in het algemeen laat het zien hoe astronomisch onderzoek werkt. Dus hier is een kijkje achter de schermen - een making-of, als je wilt - voor de eerste bruine dwergoppervlakkaart (zie afbeelding rechts).
Net als in andere wetenschappen, als je een succesvolle astronoom wilt worden, moet je iets nieuws doen en verder gaan dan wat eerder is gedaan. Dat is tenslotte waar het bij publiceerbare nieuwe resultaten om draait. Soms wordt zo'n vooruitgang aangedreven door grotere telescopen en het beschikbaar komen van meer gevoelige instrumenten. Soms gaat het om inspanning en geduld, zoals het onderzoeken van een groot aantal objecten en het trekken van conclusies uit de gegevens die je hebt gewonnen.
Vindingrijkheid speelt een belangrijke rol. Beschouw de telescopen, instrumenten en analytische methoden die door astronomen zijn ontwikkeld als het gereedschap in een voortdurend groeiende gereedschapskist. Een manier om nieuwe resultaten te verkrijgen is door deze tools op nieuwe manieren te combineren of toe te passen op nieuwe objecten.
Daarom is onze openingsscène niets bijzonders in de astronomie: het toont Ian Crossfield, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Institute for Astronomy, en een aantal collega's (waaronder instituutsdirecteur Thomas Henning) begin maart 2013, die de mogelijkheid van een bepaalde methode toepassen om stellaire oppervlakken in kaart te brengen op een klasse objecten die nog nooit eerder op deze manier in kaart waren gebracht.
De methode heet Doppler-beeldvorming. Het maakt gebruik van het feit dat licht van een roterende ster enigszins in frequentie verschuift terwijl de ster roteert. Naarmate verschillende delen van de stellaire oppervlakken voorbijgaan, meegesleurd door de rotatie van de ster, variëren de frequentieverschuivingen enigszins verschillend, afhankelijk van waar het lichtemitterende gebied zich op de ster bevindt. Op basis van deze systematische variaties kan een geschatte kaart van het stellaire oppervlak worden gereconstrueerd, met donkerdere en helderdere gebieden. Sterren zijn veel te ver verwijderd van zelfs de grootste huidige telescopen om oppervlaktedetails te onderscheiden, maar op deze manier kan een oppervlaktekaart indirect worden gereconstrueerd.
De methode zelf is niet nieuw. Het basisconcept werd uitgevonden eind jaren vijftig en in de jaren tachtig werden verschillende toepassingen toegepast op heldere, langzaam roterende sterren, waarbij astronomen Doppler-beeldvorming gebruikten om de vlekken van die sterren in kaart te brengen (donkere vlekken op een stellair oppervlak; het stellaire analoog naar zonnevlekken).
Crossfield en zijn collega's vroegen zich af: zou deze methode kunnen worden toegepast op een bruine dwerg - een tussenpersoon tussen planeet en ster, zwaarder dan een planeet, maar met onvoldoende massa om kernfusie in de kern van het object te laten ontbranden en er een ster van te maken? Helaas lieten enkele snelle berekeningen, rekening houdend met wat de huidige telescopen en instrumenten wel en niet kunnen doen en de eigenschappen van bekende bruine dwergen, dat het niet zou werken.
De beschikbare doelen waren te zwak en Doppler-beeldvorming heeft veel licht nodig: ten eerste omdat je het beschikbare licht moet opsplitsen in de talloze kleuren van een spectrum, en ook omdat je veel verschillende, vrij korte metingen moet doen - je moet tenslotte moet controleren hoe de subtiele frequentieverschuivingen veroorzaakt door het Doppler-effect in de loop van de tijd veranderen.
Tot nu toe zo gewoon. De meeste discussies over het maken van waarnemingen van een geheel nieuw type komen waarschijnlijk tot de conclusie dat het niet kan - of niet kan nog. Maar in dit geval verscheen er een andere motor van astronomische vooruitgang: de ontdekking van nieuwe objecten.
Op 11 maart kondigde Kevin Luhman, een astronoom aan de Penn State University, een belangrijke ontdekking aan: met behulp van NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) had hij een systeem van twee bruine dwergen in een baan om elkaar geïdentificeerd. Opmerkelijk genoeg bevond dit systeem zich op een afstand van slechts 6,5 lichtjaar van de aarde. Alleen het Alpha Centauri-sterrenstelsel en de ster van Barnard staan dichter bij de aarde dan dat. In feite was de ster van Barnard de laatste keer dat er een object werd ontdekt dat zo dicht bij ons zonnestelsel stond - en die ontdekking werd gedaan in 1916.
Moderne astronomen staan niet bekend om het bedenken van pittige namen, en het nieuwe object, dat WISE J104915.57-531906.1 werd genoemd, was daarop geen uitzondering. Om eerlijk te zijn, dit is niet bedoeld als echte naam; het is een combinatie van het ontdekkingsinstrument WISE met de coördinaten van het systeem in de lucht. Later werd de alternatieve aanduiding "Luhman 16AB" voor het systeem voorgesteld, aangezien dit de 16 wasth binair systeem ontdekt door Kevin Luhman, waarbij A en B de twee componenten van het binaire systeem aanduiden.
Tegenwoordig geeft het internet de astronomische gemeenschap onmiddellijk toegang tot nieuwe ontdekkingen zodra ze worden aangekondigd. Veel, waarschijnlijk de meeste astronomen beginnen hun werkdag met het bekijken van recente inzendingen bij astro-ph, de astrofysische sectie van de arXiv, een internationale opslagplaats van wetenschappelijke artikelen. Op een paar uitzonderingen na - sommige tijdschriften eisen ten minste enige tijd exclusieve publicatierechten - zullen astronomen in de meeste gevallen voor het eerst een glimp opvangen van de nieuwste onderzoeksartikelen van hun collega's.
Luhman plaatste zijn paper "Discovery of a Binary Brown Dwarf at 2 Parsecs from the Sun" op astro-ph op 11 maart. Voor Crossfield en zijn collega's bij MPIA was dit een game-changer. Plots was hier een bruine dwerg waarvoor Doppler-beeldvorming mogelijk zou kunnen werken en de allereerste oppervlaktekaart van een bruine dwerg zou opleveren.
Er is echter nog steeds de lichtverzamelende kracht van een van de grootste telescopen ter wereld voor nodig om dit mogelijk te maken, en er is veel vraag naar observatietijd op dergelijke telescopen. Crossfield en zijn collega's besloten dat ze nog een test moesten toepassen voordat ze zouden solliciteren. Elk object dat geschikt is voor Doppler-beeldvorming zal een heel klein beetje flikkeren en op zijn beurt iets helderder en donkerder worden naarmate helderdere of donkerdere oppervlakken in beeld draaien. Flikkerde Luhman 16A of 16B - in astronoom-taal: vertoonde een van hen, of misschien beide, een grote variabiliteit?
Astronomie heeft zijn eigen tijdschalen. Communicatie via internet is snel. Maar als je een nieuw idee hebt, kun je normaal gesproken niet gewoon wachten tot de nacht valt en je telescoop dienovereenkomstig richten. U moet een voorstel voor een waarneming accepteren en dit proces kost tijd - meestal tussen een half jaar en een jaar tussen uw voorstel en de daadwerkelijke waarnemingen. Ook solliciteren is allesbehalve een formaliteit. Grote faciliteiten, zoals de Very Large Telescopes van de European Southern Observatory of ruimtetelescopen zoals de Hubble, ontvangen doorgaans aanvragen voor meer dan vijf keer de hoeveelheid beschikbare observatietijd.
Maar er is een kortere weg - een manier om bijzonder veelbelovende of tijdkritische observatieprojecten veel sneller te voltooien. Het staat bekend als 'Discretionaire tijd van de directeur', omdat de observatoriumdirecteur - of een plaatsvervanger - het recht heeft dit deel van de observatietijd naar eigen goeddunken te verdelen.
Op 2 april diende Beth Biller, een andere MPIA-postdoc (ze is nu aan de Universiteit van Edinburgh), een aanvraag in voor Director's Discretionary Time op de MPG / ESO 2,2 m telescoop bij ESO's La Silla-observatorium in Chili. Het voorstel werd dezelfde dag goedgekeurd.
Billers voorstel was om Luhman 16A en 16B te bestuderen met een instrument genaamd GROND. Het instrument was ontwikkeld om de nagloeiing van krachtige, verre explosies te bestuderen die bekend staan als gammastraaluitbarstingen. Met gewone astronomische objecten kunnen astronomen hun tijd nemen. Deze objecten zullen niet veel veranderen gedurende de paar uur dat een astronoom waarneemt, waarbij hij eerst één filter gebruikt om één golflengtebereik vast te leggen (denk aan "licht van één kleur"), en vervolgens een ander filter voor een ander golflengtebereik. (Astronomische afbeeldingen leggen gewoonlijk één golflengtebereik vast - één kleur - per keer. Als je naar een kleurenafbeelding kijkt, is dit meestal het resultaat van een reeks waarnemingen, één kleurenfilter tegelijk).
Gammaflitsen en andere voorbijgaande verschijnselen zijn anders. Hun eigenschappen kunnen veranderen op een tijdschaal van minuten, waardoor er geen tijd overblijft voor opeenvolgende waarnemingen. Daarom maakt GROND gelijktijdige observatie van zeven verschillende kleuren mogelijk.
Biller had voorgesteld om GROND's unieke mogelijkheid te gebruiken om helderheidsvariaties voor Luhman 16A en 16B in zeven verschillende kleuren tegelijk op te nemen - een soort meting die nog nooit eerder op deze schaal was gedaan. De meest gelijktijdige informatie die onderzoekers van een bruine dwerg hadden gekregen, was op twee verschillende golflengten geweest (werk van Esther Buenzli, vervolgens van het Steward Observatory van de Universiteit van Arizona en collega's). Biller ging voor zeven. Aangezien licht verschillende golflengtestelsels informatie bevatten over gas in enigszins verschillende kleuren, beloofden dergelijke metingen inzicht in de laagstructuur van deze bruine dwergen - met verschillende temperaturen die overeenkomen met verschillende atmosferische lagen op verschillende hoogtes.
Voor Crossfield en zijn collega's - waaronder Biller - zou een dergelijke meting van helderheidsvariaties ook moeten aantonen of een van de bruine dwergen al dan niet een goede kandidaat was voor Doppler-beeldvorming.
Het bleek dat ze niet eens zo lang hoefden te wachten. Een groep astronomen rond Michaël Gillon had de kleine robottelescoop TRAPPIST, ontworpen om exoplaneten te detecteren door de helderheidsvariaties die ze veroorzaken wanneer ze tussen hun gastster en een waarnemer op aarde passeren, naar Luhman 16AB. Op dezelfde dag dat Biller had aangevraagd om tijd te observeren en haar aanvraag werd goedgekeurd, publiceerde de TRAPPIST-groep een paper "Snel evoluerend weer voor de coolste van onze twee nieuwe onderaardse buren", waarin helderheidsvariaties voor Luhman 16B in kaart werden gebracht.
Dit nieuws trok Crossfield duizenden kilometers van huis. Sommige astronomische waarnemingen vereisen niet dat astronomen hun gezellige kantoor verlaten - het voorstel wordt naar de astronomen van een van de grote telescopen gestuurd, die de waarnemingen doen zodra de omstandigheden goed zijn en de gegevens terugsturen via internet. Maar voor andere soorten waarnemingen moeten astronomen reizen naar welke telescoop dan ook - naar Chili bijvoorbeeld, of naar Hawaï.
Toen de helderheidsvariaties voor Luhman 16B werden aangekondigd, observeerde Crossfield in Hawaï. Hij en zijn collega's realiseerden zich meteen dat Luhman 16B, gezien de nieuwe resultaten, van een mogelijke kandidaat voor de Doppler-beeldvormende techniek was overgestapt naar een veelbelovende. Op de vlucht van Hawaï terug naar Frankfurt schreef Crossfield snel een urgent waarnemingsvoorstel voor Director's Discretionary Time on CRIRES, een spectrograaf die was geïnstalleerd op een van de 8 meter zeer grote telescopen (VLT) van ESO's Paranal-observatorium in Chili, en diende zijn aanvraag in april in 5. Vijf dagen later werd het voorstel aanvaard.
Op 5 mei draaide de gigantische spiegel van 8 meter van Antu, een van de vier eenheidstelescopen van de Very Large Telescope, naar het zuidelijke sterrenbeeld Vela (het 'zeil van het schip'). Het verzamelde licht werd naar CRIRES geleid, een infraroodspectrograaf met hoge resolutie die is afgekoeld tot ongeveer -200 graden Celsius (-330 Fahrenheit) voor een betere gevoeligheid.
Drie respectievelijk twee weken eerder hadden de waarnemingen van Biller rijke gegevens opgeleverd over de variabiliteit van beide bruine dwergen in de beoogde zeven verschillende golflengtebanden.
Op dat moment waren er niet meer dan twee maanden verstreken tussen het oorspronkelijke idee en de waarnemingen. Maar de beroemde grap van Edison parafraseert: observationele astronomie is 1% observatie en 99% evaluatie, aangezien de ruwe gegevens worden geanalyseerd, gecorrigeerd, vergeleken met modellen en gevolgtrekkingen over de eigenschappen van de waargenomen objecten.
Voor Beth Biller's monitoring van helderheidsvariaties op meerdere golflengten duurde dit ongeveer vijf maanden. Begin september dienden Biller en 17 coauteurs, Crossfield en tal van andere MPIA-collega's onder hen, hun artikel in bij de Astrophysical Journal Letters (ApJL) na enkele herzieningen werd het op 17 oktober aanvaard. Vanaf 18 oktober waren de resultaten online beschikbaar op astro-ph en een maand later werden ze gepubliceerd op de ApJL-website.
Eind september hadden Crossfield en zijn collega's hun Doppler-beeldvormingsanalyse van de CRIRES-gegevens afgerond. Resultaten van zo'n analyse zijn nooit 100% zeker, maar de astronomen hadden de meest waarschijnlijke structuur van het oppervlak van Luhman 16B gevonden: een patroon van helderdere en donkerdere vlekken; wolken gemaakt van ijzer en andere mineralen die op waterstofgas drijven.
Zoals gebruikelijk in het veld, de tekst die ze in het tijdschrift hebben ingediend Natuur werd verzonden naar een scheidsrechter - een wetenschapper die anoniem blijft en die de redacteuren van het tijdschrift aanbevelingen geeft over het al dan niet publiceren van een bepaald artikel. Meestal, zelfs voor een artikel dat volgens de scheidsrechter moet worden gepubliceerd, heeft hij of zij enkele aanbevelingen voor verbetering. Na enkele herzieningen, Natuur accepteerde de Crossfield et al. artikel eind december 2013.
Met Natuur, u mag de definitieve, herziene versie alleen publiceren op astro-ph of vergelijkbare servers niet minder dan 6 maanden na de publicatie in het tijdschrift. Dus terwijl een aantal collega's op 9 januari heeft gehoord over de bruine dwergkaart tijdens een sessie op de 223e bijeenkomst van de American Astronomical Society, in Washington, DC, voor de bredere astronomische gemeenschap, de online publicatie, op 29 januari 2014 , zal de eerste glimp zijn geweest van dit nieuwe resultaat. En je kunt er zeker van zijn dat, als je de bruine dwergkaart ziet, een aantal van hen is gaan nadenken over wat je nog meer zou kunnen doen. Blijf ons volgen voor de volgende generatie resultaten.
En daar heb je het: 10 maanden astronomisch onderzoek, van idee tot publicatie, resulterend in de eerste oppervlaktekaart van een bruine dwerg (Crossfield et al.) En de eerste zeven-golflengtebanden-studie van helderheidsvariaties van twee bruine dwergen (Biller et al.). Alles bij elkaar geven de onderzoeken een fascinerend beeld van complexe weerpatronen op een object ergens tussen een planeet en een ster, het begin van een nieuw tijdperk voor bruine dwergstudie, en een belangrijke stap naar een ander doel: gedetailleerde oppervlaktekaarten van gigantische gasplaneten rond andere sterren.
Persoonlijker was dit mijn allereerste persbericht dat werd opgepikt door het Weerkanaal.
