Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben astronomen een totaal onverwachte spiraalstructuur ontdekt in het materiaal rond de oude ster R Sculptoris. Het is voor het eerst dat rond een rode reuzenster zowel een bolvormige buitenschil als een daarbinnen gelegen spiraalstructuur is ontdekt. Het is ook voor het eerst dat astronomen zo’n spiraal ruimtelijk in kaart konden brengen.
De vreemde vorm is waarschijnlijk ontstaan doordat er een (niet waarneembare) begeleidende ster om de rode reus cirkelt. Dit is een van de eerste wetenschappelijke ALMA-resultaten: het wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Een onderzoeksteam dat gebruik maakt van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), de krachtigste telescoop in zijn soort, heeft een verrassende spiraalstructuur ontdekt in het gas rond de rode reuzenster R Sculptoris (1)(2)(3). Dit betekent dat deze ster waarschijnlijk een nog onbekende begeleider heeft (4). De astronomen ontdekten tot hun verrassing ook dat de rode reus onverwacht veel materiaal heeft uitgestoten.
‘We hebben vaker gasschillen rond zulke sterren waargenomen, maar het is voor het eerst dat we zien dat de ster zowel een spiraal van materiaal als een schil heeft geproduceerd,’ zegt de hoofdauteur van het artikel waarin de resultaten worden gepresenteerd, Matthias Maercker (ESO en Argelander-Institut für Astronomie, Universiteit van Bonn, Duitsland). Omdat ze grote hoeveelheden materiaal uitstoten, dragen rode reuzen als R Sculptoris belangrijk bij aan het stof en gas dat het leeuwendeel vormt van het ruwe materiaal waaruit toekomstige generaties van sterren, planetenstelsels en uiteindelijk ook leven ontstaan.
Zelfs tijdens de Early Science-fase, waarin deze nieuwe waarnemingen zijn gedaan, presteert ALMA aanzienlijk beter dan andere submillimeter-telescopen. Bij eerdere waarnemingen was wel de bolvormige schil rond R Sculptoris te zien, maar niets dat op een spiraalstructuur of begeleider wees. ‘Toen we de ster met ALMA waarnamen, was nog niet de helft van de antennes in bedrijf. Het is spannend om te bedenken wat er met de ALMA-array mogelijk zal zijn wanneer deze in 2013 compleet is,’ aldus mede-auteur Wouter Vlemmings (Chalmers University of Technology, Zweden).
Laat in hun leven veranderen sterren van maximaal acht zonsmassa’s in rode reuzen die een sterke sterrenwind produceren en daardoor veel massa kwijtraken. Tijdens dit rodereuzenstadium ondergaan de sterren ook periodieke thermische pulsen. Dat zijn kortstondige fasen van explosieve heliumverbranding in een schil rond de kern van de ster. Zo’n puls leidt ertoe dat er in veel hoger tempo materiaal van het steroppervlak wordt weggeblazen, wat in de vorming van een grote schil van gas en stof resulteert. Na de puls keert het massaverlies van de ster terug naar zijn normale niveau. Thermische pulsen treden ongeveer eens in de 10.000 à 50.000 jaar op en duren slechts een paar honderd jaar. De nieuwe waarnemingen van R Sculptoris tonen aan dat deze ster ruwweg 1800 jaar geleden een thermische puls heeft ondergaan die ongeveer tweehonderd jaar duurde. De begeleidende ster gaf de wind van R Sculptoris zijn spiraalvorm.
‘Door gebruik te maken van het vermogen van ALMA om kleine details te zien, en te onderzoeken hoe de schil en de spiraalstructuur zijn gevormd, kunnen we veel beter begrijpen wat er voor, tijdens en na de thermische puls met de ster is gebeurd,’ aldus Maercker. ‘We verwachtten wel dat ALMA ons een nieuwe kijk op het heelal zou geven, maar dat we al tijdens een van de eerste waarnemingsreeksen onverwachte nieuwe dingen zouden ontdekken is werkelijk opwindend.’ Om de waargenomen structuur rond R Sculptoris te kunnen begrijpen, hebben de astronomen ook computersimulaties uitgevoerd die de evolutie van een dubbelstersysteem nalopen (5). Deze modellen zijn in goede overeenstemming met de nieuwe ALMA-waarnemingen.
‘Het is een hele uitdaging om alle door ALMA waargenomen details theoretisch te beschrijven, maar onze computermodellen laten zien dat we echt op het juiste spoor zijn. ALMA geeft ons nieuw inzicht in wat zich in deze sterren afspeelt en in wat er over enkele miljarden jaren met de zon zou kunnen gebeuren,’ zegt mede-auteur Shazrene Mohamed (South African Astronomical Observatory). ‘In de nabije toekomst zullen ALMA-waarnemingen van sterren als R Sculptoris ons helpen begrijpen hoe de elementen waaruit wij bestaan op aarde en soortgelijke plaatsen terechtkomen. Ze geven ook aanwijzingen over hoe de toekomst van onze eigen ster eruit zou kunnen zien,’ besluit Matthias Maercker.
Noten
(1) R Sculptoris is een voorbeeld van een AGB-ster – een ‘asymptotische reuzentakster’. Dat zijn koele, rode reuzensterren met een beginmassa van 0,8 tot 8 zonsmassa’s die het einde van hun bestaan naderen. Deze sterren raken veel massa kwijt in de vorm van een sterke sterrenwind en vertonen doorgaans trage helderheidsvariaties. Ze bestaan uit een kleine kern van koolstof en zuurstof, die omgeven is door schillen waarin helium- en waterstofverbranding optreedt en ten slotte door een enorm convectief omhulsel. Ook de zon zal uiteindelijk tot een AGB-ster evolueren.
(2) De schil die AGB-sterren uitstoten bestaat uit gas en stofdeeltjes. De stofdeeltjes kunnen worden opgespoord door naar warmtestraling met ver-infrarode of millimetergolflengten uit te kijken. De millimeterstraling die door CO-moleculen wordt uitgezonden maakt het mogelijk om de sterke sterrenwind van de AGB-sterren in kaart te brengen. Deze waarnemingen geven ook een goed beeld van de verdeling van het gas rond deze sterren. Dankzij de grote gevoeligheid van ALMA kan het gebied waarin het stof condenseert en de structuur van het materiaal rond AGB-sterren in beeld worden gebracht. Op de resulterende beelden zijn details van minder dan 0,1 boogseconde te zien.
(3) Een soortgelijke spiraal, maar dan zonder omringende schil, is met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA waargenomen bij de ster LL Pegasi. Maar, anders dan de nieuwe ALMA-waarnemingen, kon daarbij niet de volledige driedimensionale structuur onderzocht worden. Hubble bracht stof in kaart, ALMA de emissie van moleculen.
(4) Niet waarneembare stellaire begeleiders kunnen ook de vreemde vormen van verwante objecten, de zogeheten planetaire nevels, verklaren. Na de AGB-fase sluiten lichte en middelzware sterren (0,8 tot 8 zonsmassa’s) hun leven af met de vorming van een planetaire nevel. Dat is het gloeiende restant van het stellaire gasomhulsel dat tijdens de AGB-fase is uitgestoten en door de ultraviolette straling van de centrale ster wordt geïoniseerd. Planetaire nevels vertonen sterk uiteenlopende, vaak extreem complexe vormen. Eén van de mechanismen die deze grote variëteit kan verklaren is de aanwezigheid van een stellaire begeleider. Ook een circumstellaire schijf of een magnetisch veld kan de oorzaak zijn.
(5) Het gemodelleerde systeem bestaat in dit geval uit een primaire AGB-ster die een thermische puls ondergaat en een kleine begeleidende ster. In de simulatie zijn twee sterren gebruikt met een gezamenlijke massa van twee zonsmassa’s en een onderlinge afstand van 60 astronomische eenheden. Dat resulteert in een omlooptijd van 350 jaar.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris’ van Maercker et al., dat in het tijdschrift Nature verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit M. Maercker (ESO; Argelander-Institut für Astronomie, Universiteit van Bonn, Duitsland), S. Mohamed (Argelander-Institut; South African Astronomical Observatory, Zuid-Afrika), W.H.T. Vlemmings (Onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Onsala, Zweden), S. Ramstedt (Argelander-Institut), M.A.T. Groenewegen (Koninklijke Sterrenwacht van België, Brussel), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Vakgroep Astronomie, Universiteit van Wenen, Oostenrijk), M. Lindqvist (Onsala Space Observatory), H. Olofsson (Onsala Space Observatory), C. Paladini (Vakgroep Astronomie, Universiteit van Wenen), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Chili) en L.A. Nyman (Joint ALMA Observatory).
Het jaar 2012 staat in het teken van de vijftigste verjaardag van de oprichting van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO). ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden. De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO). De ALMA-sterrenwacht zal op 13 maart 2013 officieel in gebruik worden genomen.
