Rozwiązanie zagadki pulsujących gwiazd

Rozwiązanie zagadki pulsujących gwiazdOriginal Press Release
Dzięki odkryciu pierwszego układu podwójnego, w którym jednym ze składników jest cefeida – pulsująca gwiazda zmienna – a drugim inna gwiazda, które krążąc przesłaniają się okresowo nawzajem, międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez Grzegorza Pietrzyńskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego rozwiązał tajemnicę, od dziesięcioleciu czekającą na wyjaśnienie.

Wykorzystując instrument HARPS zainstalowany na 3,6 metrowym teleskopie ESO w Obserwatorium La Silla, jak również za pomocą innych teleskopów, zmierzyliśmy masę Cefeidy z dokładnością znacznie przekraczającą wszystkie wcześniejsze oszacowania. Ten nowy wynik pozwala nam jednoznacznie wskazać, która z teorii przewidujących masę cefeid jest poprawna.

Grzegorz Pietrzyński

Klasyczne gwiazdy zmienne typu cefeid to niestabilne gwiazdy znacznie większe i jaśniejsze od Słońca. Rozszerzają się i kurczą regularnie w okresie od kilku dniu do kilku miesięcy. Okres w jakim zmienia się ich jasność (i rozmiar) jest dłuższy dla gwiazd o większej jasności.  Ten zadziwiająco precyzyjny związek umożliwił wykorzystanie cefeid jako bardzo skutecznego narzędzie do pomiaru odległości do pobliskich galaktyk, tworząc pierwszy stopień na drabinie pomiarów Wszechświata.

Niestety mimo swego znaczenia, nadal w pełni nie rozumiemy cefeid. Oszacowania ich masy oparte na teorii pulsacji dają wyniki o 20 – 30% mniejsze niż te, które wynikają z teorii ewolucji gwiazd. Rozbieżność ta pojawiła się w latach 60. ubiegłego wieku.

Aby rozwiązać zagadkę astronomowie musieli odnaleźć układ podwójny zawierający cefeidę, w którym orbity składników widziane byłyby od strony krawędzi. W układach takich, znanych jakie zmienne zaćmieniowe, składniki przesłaniają się wzajemnie co jakiś czas umożliwiając astronomom precyzyjne określenie ich mas. Niestety zarówno gwiazdy zmienne zaćmieniowe, jak i cefeidy, nie są często występującymi gwiazdami – stąd szansa na odnalezienie takiego układu była niewielka – nie znamy takiego układu w Drodze Mlecznej.

Inny członek zespołu naukowców, Wolfgang Gieren, wyjaśnia: „Dopiero niedawno odnaleźliśmy poszukiwany układ podwójny wśród gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana. W układzie tym znajduje się cefeida o okresie 3,8 dnia. Druga gwiazda jest nieco większa i chłodniejsza a obie okrążają się wzajemnie w okresie 310 dni. Faktyczna podwójna natura tego obiektu została natychmiast potwierdzona gdy przeprowadziliśmy jego obserwacje za pomocą HARPS w La Silla.”

W czasie gdy gwiazdy okrążały się nawzajem obserwatorzy dokładnie zmierzyli zmiany jasności tego niezwykle rzadkiego obiektu – o oznaczeniu katalogowym OGLE-LMC-CEP0227. Wykorzystali również HARPS i inne spektrografy by precyzyjnie zmierzyć przesunięcia radialne gwiazd, wynikające zarówno z ich wzajemnych oddziaływań grawitacyjnych jak i ruchu powierzchni rozszerzającej się i zapadającej cefeidy.

Ten bardzo dokładny zbiór danych pozwolił obserwatorom określić ruchy orbitalne, rozmiary i masy obu gwiazd z bardzo dużą dokładnością – daleko większą niż do tej pory. Masa cefeidy została określona z dokładnością do 1% i dokładnie zgadza się z przewidywaniami wynikającymi z teorii pulsacji gwiezdnej. Jednocześnie wykazano, że masa przewidywana przez współzawodniczącą teorię znacznie różni się od zmierzonej.

Tak dokładny pomiar jest jednym z rezultatów badań, a zespół ma nadzieję odnaleźć kolejne tego typu pary i badać je w przyszłości. Naukowcy mają również nadzieję, że ten i jemu podobne układy podwójne pozwolą zmniejszyć błąd pomiaru odległości do Wielkiego Obłoku Magellana z dokładnością przekraczającą 1% co umożliwiłoby jednocześnie istotne zwiększenie dokładności pomiarów całego Wszechświata.

Źródła:

Pulsating Star Mystery Solved

By discovering the first double star where a pulsating Cepheid variable and another star pass in front of one another, an international team of astronomers has solved a decades-old mystery. The rare alignment of the orbits of the two stars in the double star system has allowed a measurement of the Cepheid mass with unprecedented accuracy. Up to now astronomers had two incompatible theoretical predictions of Cepheid masses. The new result shows that the prediction from stellar pulsation theory is spot on, while the prediction from stellar evolution theory is at odds with the new observations.

The new results, from a team led by Grzegorz Pietrzyński (Universidad de Concepción, Chile, Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego, Poland), appear in the 25 November 2010 edition of the journal Nature.

Grzegorz Pietrzyński introduces this remarkable result: “By using the HARPS instrument on the 3.6-metre telescope at ESO’s La Silla Observatory in Chile, along with other telescopes, we have measured the mass of a Cepheid with an accuracy far greater than any earlier estimates. This new result allows us to immediately see which of the two competing theories predicting the masses of Cepheids is correct.”

Classical Cepheid Variables, usually called just Cepheids, are unstable stars that are larger and much brighter than the Sun [1]. They expand and contract in a regular way, taking anything from a few days to months to complete the cycle. The time taken to brighten and grow fainter again is longer for stars that are more luminous and shorter for the dimmer ones. This remarkably precise relationship makes the study of Cepheids one of the most effective ways to measure the distances to nearby galaxies and from there to map out the scale of the whole Universe [2].

Unfortunately, despite their importance, Cepheids are not fully understood. Predictions of their masses derived from the theory of pulsating stars are 20–30% less than predictions from the theory of the evolution of stars. This embarrassing discrepancy has been known since the 1960s.

To resolve this mystery, astronomers needed to find a double star containing a Cepheid where the orbit happened to be seen edge-on from Earth. In these cases, known as eclipsing binaries, the brightness of the two stars dims as one component passes in front of the other, and again when it passes behind the other star. In such pairs astronomers can determine the masses of the stars to high accuracy [3]. Unfortunately neither Cepheids nor eclipsing binaries are common, so the chance of finding such an unusual pair seemed very low. None are known in the Milky Way.

Wolfgang Gieren, another member of the team, takes up the story: “Very recently we actually found the double star system we had hoped for among the stars of the Large Magellanic Cloud. It contains a Cepheid variable star pulsating every 3.8 days. The other star is slightly bigger and cooler, and the two stars orbit each other in 310 days. The true binary nature of the object was immediately confirmed when we observed it with the HARPS spectrograph on La Silla.”

The observers carefully measured the brightness variations of this rare object, known as OGLE-LMC-CEP0227 [4], as the two stars orbited and passed in front of one another. They also used HARPS and other spectrographs to measure the motions of the stars towards and away from the Earth — both the orbital motion of both stars and the in-and-out motion of the surface of the Cepheid as it swelled and contracted.

This very complete and detailed data allowed the observers to determine the orbital motion, sizes and masses of the two stars with very high accuracy — far surpassing what had been done before for a Cepheid. The mass of the Cepheid is now known to about 1% and agrees exactly with predictions from the theory of stellar pulsation. However, the larger mass predicted by stellar evolution theory was shown to be significantly in error.

The much-improved mass estimate is only one outcome of this work, and the team hopes to find other examples of these remarkably useful pairs of stars to exploit the method further. They also believe that from such binary systems they will eventually be able to pin down the distance to the Large Magellanic Cloud to 1%, which would mean an extremely important improvement of the cosmic distance scale.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *