Ráðgátan um myndun segulstjarna leyst?
Sævar Helgi Bragason
14. maí 2014
Fréttir
Um árabil hafa stjörnufræðingar velt vöngum yfir myndun segulstjarna og telja sig nú loks hafa fundið skýringu á tilurð þeirra
Segulstjörnur eru sérkennilegar ofurþéttar leifar sprengistjarna. Þær eru segulmögnuðustu fyrirbrin sem vitað er um í alheiminum — mörgum milljón sinnum öflugri en sterkustu seglar á Jörðinni. Hópur evrópskra stjörnufræðinga, sem notaði Very Large Telescope (VLT) ESO, telur sig nú hafa, í fyrsta sinn, fundið förunaut segulstjörnu. Uppgötvunin hjálpar til við að skýra myndun segulstjarna — sem hefur verið mikil ráðgáta í 35 ár — og hvers vegna þessi tiltekna stjarna féll ekki saman og myndaði svarthol eins og stjörnufræðingar hefðu búist við.
Þegar massamikil stjarna fellur saman undan eigin þyngdarkrafti og springur, myndast annað hvort nifteindastjarna eða svarthol. Segulstjarna er óvenjuleg og mjög framandi tegund nifteindastjörnu. Rétt eins og hin furðufyrirbærin eru segulstjörnur litlar og ótrúlega þéttar — ein teskeið af efni úr nifteindastjörnu vægi um milljarð tonn — en hafa líka sérstaklega öflugt segulsvið. Við stjörnuskjálfta losnar gríðarmikil spenna í skorpum þeirra og gefa þær þá frá sér gammageislun.
Stjörnuþyrpingin Westerlund 1 [1], sem er í um 16 000 ljósára fjarlægð frá Jörðinni í stjörnumerkinu Altarinu, geymir eina af rúmlega tuttugu segulstjörnum sem fundist hafa í Vetrarbrautinni okkar. Hún kallast CXOU J164710.2-455216 og hefur valdið stjörnufræðingum miklum heilabrotum.
„Eldri rannsóknir okkar (eso1034) sýndu að segulstjarnan í Westerlund 1 þyrpingunni (eso0510) hlýtur að hafa myndast þegar stjarna um 40 sinnum efnismeiri en sólin okkar sprakk. Þetta bjó hins vegar til önnur vandamál þar sem svo massamiklar stjörnur hefðu átt að falla saman og mynda svarthol við dauða sinn, ekki nifteindastjörnu. Við skiljum ekki hvernig hún gat orðið segulstjarna,“, sagði Simon Clark, aðalhöfundur greinar um rannsóknina.
Stjörnufræðingar stungu upp á lausn ráðgátunni. Þeir stungu upp á að segulstjarnan hefði orðið til vegna víxlverkunnar tveggja mjög massamikilla stjarna í tvístirnakerfi, svo þéttu að það kæmist fyrir milli Jarðar og sólar. Þar til nú hafði þó engin fylgistjarna fundist á braut um segulstjörnuna í Westerlund 1, svo stjörnufræðingarnir notuðu VLT til að leita hennar í öðrum hlutum þyrpingarinnar. Stjörnufræðingarnir leituðu að flóttastjörnum — stjörnum sem eru að flýja þyrpinguna með ógnarhraða — sem gæti hafa verið sparkað burt af sprengistjörnunni sem myndaði segulstjörnuna. Ein stjarna, Westerlund 1-5 [2], fannst sem einmitt var að því.
„Þessi stjarna ferðast ekki aðeins með þeim mikla hraða sem búast má við ef sprengistjarnan skaut henni burt heldur hefur hún lægri massa, mikið ljósafli og kolefnisríkra efnasamsetningu sem erfitt er að útskýra á annan hátt en að hún hafi myndast með annarri stjörnu,“ bætir Ben Ritchie (Open University), meðhöfundur greinarinnar, við.
Uppgötvunin gerir stjörnufræðingum kleift að púsla saman söguna sem gerði segulstjörnunni kleift að myndast í stað svarthols eins og búist var við [3]. Á fyrstu stigum ferlisins byrjaði massameiri stjarnan í kerfinu að verða eldsneytislaus á undan og flutti ytri efnislög sín yfir á massaminni fylgistjörnuna — sem síðar varð að segulstjörnunni — og olli því að hún jók sífellt snúningshraða sinn. Þessi hraði snúningur virðist vera nauðsynlegur þáttúr í myndun hins ofursterka segulsviðs segulstjörnunnar.
Á öðru stiginu varð fylgistjarnan sjálf svo massamikil vegna efnisflutningsins, að hún tók að varpa aftur frá sér miklu magni af nýfengna massanum. Stór hluti þessa massa tapast, en hluti færðist aftur til upphaflegu stjörnunnar sem enn skín í dag sem Westerlund 1-5.
„Efnaflutningsferlið skildi eftir sig sérstök efnamerki í Westerlund 1-5 og gerði fylgistjörnunni kleift að minnka massa sinn nægilega mikið til þess að segulstjarna yrði til í stað svarthols í nokkurs konar stjarnfræðilegum pakkaleik með stjarnfræðilegum afleiðingum,“ sagði Francisco Najarro (Centro de Astrobiología á Spáni) að endingu.
Það að vera fylgistjarna í tvístirnakerfi virðist því vera nauðsynlegur hluti af uppskriftinni að myndun segulstjörnu. Snúningshraðinn sem verður til við efnisflutning milli tveggja stjarna virðist nauðsynlegur til að framkalla ofursterkt segulsvið en seinni tíma efnisflutningur gerir verðandi segulstjörnu kleift að grennast nægilega til að verða ekki að svartholi við ævilok.
Skýringar
[1] Sænski stjörnufræðingurinn Bengt Westerlund, sem þá starfaði í Ástralíu og varð síðar framkvæmdarstjóri ESO í Chile (1970-74), uppgötvaði lausþyrpinguna Westerlund 1 árið 1961. Þyrpingin er falin á bak við stórt gas- og rykský sem gleypir mestan hluta af sýnilega ljósi hennar. Þyrpingin er um 100.000 sinnum daufari en ella vegna þessa. Því hefur verið erfitt að varpa ljósi á eðli hennar.
Westerlund 1 er einstök náttúruleg tilraunastofa til að rannsaka eðlisfræði ofsafenginna stjarna. Hún hjálpar stjörnufræðingum að finna út hvernig massamestu stjörnur Vetrarbrautarinnar lifa og deyja. Mælingar stjörnufræðinga hafa sýnt að þessi mikla þyrping inniheldur um 100.000 sólmassa af efni og að stjörnurnar eru allar samankomnar á svæði sem er innan við 6 ljósár í þvermál. Westerlund 1 virðist því vera massamesta unga stjörnuþyrping sem fundist hefur í Vetrarbrautinni hingað til.
Allar stjörnurnar sem rannsakaðar hafa verið til þessa í Westerlund 1 eru að minnsta kosti 30-40 sinnum massameiri en sólin. Slíkar stjörnur hafa fremur stutta ævi á stjarnfræðilegan mælikvarða, svo Westerlund 1 hlýtur að vera mjög ung. Stjörnufræðingarnir hafa áætlað að þyrpingin sé milli 3,5 til 5 milljón ára gömul. Westerlund 1 er því augljóslega nýgræðingur í Vetrarbrautinni okkar.
[2] Fullt heiti stjörnunnar er Cl* Westerlund 1 W 5.
[3] Þegar stjörnu eldast breyta kjarnahvörf efnauppbyggingu þeirra — frumefni sem knýja hvörfin klárast og afurðirnar hlaðast upp. Þessi efnafræðilegu fingraför stjarnanna er fyrst vetnis- og niturrík en kolefnissnauð en það er aðeins seint á ævi stjarnanna sem kolefni eykst og verður þá vetni og nitur mjög af skornum skammti — talið er ómögulegt að stakar stjörnur geti verið vetnis-, nitur- og kolefnisríkar samtímis eins og Westerlund 1-5 er.
Frekari upplýsingar
Niðurstöðurnar sem kynntar eru í þessari fréttatilkynningu ESO munu birtast innan tíðar í tímaritinu Astronomy & Astrophysics („A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45“ eftir J. S. Clark o.fl.). Sami hópur birti fyrstu rannsóknina á þessu fyrirbæri árið 2006 („A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1“ eftir M. P. Muno o.fl., Astrophysical Journal, 636, L41).
Í rannsóknarteyminu eru Simon Clark og Ben Richie (Open University í Bretlandi), Francisco Najarro (Centro de Astrobiología á Spáni), Norbert Langer (Universität Bonn í Þýskalandi og Universiteit Utrecht í Hollandi) og Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante á Spáni).
Stjörnufræðingarnir notuðu FLAMES mælitækið á Very Large Telescope ESO í Paranal í Chile til að rannsaka stjörnurnar í Westerlund 1 þyrpingunni.
ESO er fremsta fjölþjóðlega stjörnustöð Evrópu og lang öflugasta stjörnustöð heims. Hún nýtur stuðnings 15 landa: Austurríkis, Belgíu, Brasilíu, Tékklands, Danmörku, Finnlands, Frakklands, Þýskalands, Ítalíu, Hollands, Portúgals, Spánar, Svíþjóðar, Sviss og Bretlands. ESO heldur úti metnaðarfullum verkefnum sem miða að hönnun, smíði og starfsemi öflugra stjörnustöðva á jörðinni sem gera stjörnufræðingum kleift að gera mikilvægar uppgötvanir. ESO leikur líka lykilhlutverk í að efla og skipuleggja samstarf í stjarnvísindarannsóknum. ESO starfrækir þrjár stjörnuathugunarstöðvar í heimsflokki: La Silla, Paranal og Chajnantor. Á Paranalfjalli starfrækir ESO Very Large Telescope, fullkomnustu stjörnusjónauka heims sem notaðir eru til athugana á sýnilegu ljósi og tvo kortlagningarsjónauka. VISTA er stærsti kortlagningarsjónauki veraldar fyrir innrautt ljós og VLT Survey Telescope er stærsti sjónauki heims sem eingöngu er ætlað að kortleggja himinn í sýnilegu ljósi. ESO er þátttakandi í ALMA, byltingarkenndum útvarpssjónauka og stærsta stjarnvísindaverkefni heims. ESO hyggur einnig á smíði 39 metra risasjónauka, European Extremely Large Telescope eða E-ELT sem verður „stærsta auga jarðar“.
Tenglar
Tengiliðir
Sævar Helgi Bragason
Háskóli Íslands
Reykjavík, Ísland
Farsími: 8961984
Tölvupóstur: [email protected]
Tengdar myndir
Teikning listamanns af segulstjörnu í stjörnuþyrpingunni Westerlund 1. Mynd: ESO/L. Calçada
Stjörnuþyrpingin Westerlund 1 og staðsetningar segulstjörnunnar og líklegs fyrrum förunautar. Mynd: ESO
Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESO eso1415.
Ráðgátan um myndun segulstjarna leyst?
Sævar Helgi Bragason 14. maí 2014 Fréttir
Um árabil hafa stjörnufræðingar velt vöngum yfir myndun segulstjarna og telja sig nú loks hafa fundið skýringu á tilurð þeirra
Segulstjörnur eru sérkennilegar ofurþéttar leifar sprengistjarna. Þær eru segulmögnuðustu fyrirbrin sem vitað er um í alheiminum — mörgum milljón sinnum öflugri en sterkustu seglar á Jörðinni. Hópur evrópskra stjörnufræðinga, sem notaði Very Large Telescope (VLT) ESO, telur sig nú hafa, í fyrsta sinn, fundið förunaut segulstjörnu. Uppgötvunin hjálpar til við að skýra myndun segulstjarna — sem hefur verið mikil ráðgáta í 35 ár — og hvers vegna þessi tiltekna stjarna féll ekki saman og myndaði svarthol eins og stjörnufræðingar hefðu búist við.
Þegar massamikil stjarna fellur saman undan eigin þyngdarkrafti og springur, myndast annað hvort nifteindastjarna eða svarthol. Segulstjarna er óvenjuleg og mjög framandi tegund nifteindastjörnu. Rétt eins og hin furðufyrirbærin eru segulstjörnur litlar og ótrúlega þéttar — ein teskeið af efni úr nifteindastjörnu vægi um milljarð tonn — en hafa líka sérstaklega öflugt segulsvið. Við stjörnuskjálfta losnar gríðarmikil spenna í skorpum þeirra og gefa þær þá frá sér gammageislun.
Stjörnuþyrpingin Westerlund 1 [1], sem er í um 16 000 ljósára fjarlægð frá Jörðinni í stjörnumerkinu Altarinu, geymir eina af rúmlega tuttugu segulstjörnum sem fundist hafa í Vetrarbrautinni okkar. Hún kallast CXOU J164710.2-455216 og hefur valdið stjörnufræðingum miklum heilabrotum.
„Eldri rannsóknir okkar (eso1034) sýndu að segulstjarnan í Westerlund 1 þyrpingunni (eso0510) hlýtur að hafa myndast þegar stjarna um 40 sinnum efnismeiri en sólin okkar sprakk. Þetta bjó hins vegar til önnur vandamál þar sem svo massamiklar stjörnur hefðu átt að falla saman og mynda svarthol við dauða sinn, ekki nifteindastjörnu. Við skiljum ekki hvernig hún gat orðið segulstjarna,“, sagði Simon Clark, aðalhöfundur greinar um rannsóknina.
Stjörnufræðingar stungu upp á lausn ráðgátunni. Þeir stungu upp á að segulstjarnan hefði orðið til vegna víxlverkunnar tveggja mjög massamikilla stjarna í tvístirnakerfi, svo þéttu að það kæmist fyrir milli Jarðar og sólar. Þar til nú hafði þó engin fylgistjarna fundist á braut um segulstjörnuna í Westerlund 1, svo stjörnufræðingarnir notuðu VLT til að leita hennar í öðrum hlutum þyrpingarinnar. Stjörnufræðingarnir leituðu að flóttastjörnum — stjörnum sem eru að flýja þyrpinguna með ógnarhraða — sem gæti hafa verið sparkað burt af sprengistjörnunni sem myndaði segulstjörnuna. Ein stjarna, Westerlund 1-5 [2], fannst sem einmitt var að því.
„Þessi stjarna ferðast ekki aðeins með þeim mikla hraða sem búast má við ef sprengistjarnan skaut henni burt heldur hefur hún lægri massa, mikið ljósafli og kolefnisríkra efnasamsetningu sem erfitt er að útskýra á annan hátt en að hún hafi myndast með annarri stjörnu,“ bætir Ben Ritchie (Open University), meðhöfundur greinarinnar, við.
Uppgötvunin gerir stjörnufræðingum kleift að púsla saman söguna sem gerði segulstjörnunni kleift að myndast í stað svarthols eins og búist var við [3]. Á fyrstu stigum ferlisins byrjaði massameiri stjarnan í kerfinu að verða eldsneytislaus á undan og flutti ytri efnislög sín yfir á massaminni fylgistjörnuna — sem síðar varð að segulstjörnunni — og olli því að hún jók sífellt snúningshraða sinn. Þessi hraði snúningur virðist vera nauðsynlegur þáttúr í myndun hins ofursterka segulsviðs segulstjörnunnar.
Á öðru stiginu varð fylgistjarnan sjálf svo massamikil vegna efnisflutningsins, að hún tók að varpa aftur frá sér miklu magni af nýfengna massanum. Stór hluti þessa massa tapast, en hluti færðist aftur til upphaflegu stjörnunnar sem enn skín í dag sem Westerlund 1-5.
„Efnaflutningsferlið skildi eftir sig sérstök efnamerki í Westerlund 1-5 og gerði fylgistjörnunni kleift að minnka massa sinn nægilega mikið til þess að segulstjarna yrði til í stað svarthols í nokkurs konar stjarnfræðilegum pakkaleik með stjarnfræðilegum afleiðingum,“ sagði Francisco Najarro (Centro de Astrobiología á Spáni) að endingu.
Það að vera fylgistjarna í tvístirnakerfi virðist því vera nauðsynlegur hluti af uppskriftinni að myndun segulstjörnu. Snúningshraðinn sem verður til við efnisflutning milli tveggja stjarna virðist nauðsynlegur til að framkalla ofursterkt segulsvið en seinni tíma efnisflutningur gerir verðandi segulstjörnu kleift að grennast nægilega til að verða ekki að svartholi við ævilok.
Skýringar
[1] Sænski stjörnufræðingurinn Bengt Westerlund, sem þá starfaði í Ástralíu og varð síðar framkvæmdarstjóri ESO í Chile (1970-74), uppgötvaði lausþyrpinguna Westerlund 1 árið 1961. Þyrpingin er falin á bak við stórt gas- og rykský sem gleypir mestan hluta af sýnilega ljósi hennar. Þyrpingin er um 100.000 sinnum daufari en ella vegna þessa. Því hefur verið erfitt að varpa ljósi á eðli hennar.
Westerlund 1 er einstök náttúruleg tilraunastofa til að rannsaka eðlisfræði ofsafenginna stjarna. Hún hjálpar stjörnufræðingum að finna út hvernig massamestu stjörnur Vetrarbrautarinnar lifa og deyja. Mælingar stjörnufræðinga hafa sýnt að þessi mikla þyrping inniheldur um 100.000 sólmassa af efni og að stjörnurnar eru allar samankomnar á svæði sem er innan við 6 ljósár í þvermál. Westerlund 1 virðist því vera massamesta unga stjörnuþyrping sem fundist hefur í Vetrarbrautinni hingað til.
Allar stjörnurnar sem rannsakaðar hafa verið til þessa í Westerlund 1 eru að minnsta kosti 30-40 sinnum massameiri en sólin. Slíkar stjörnur hafa fremur stutta ævi á stjarnfræðilegan mælikvarða, svo Westerlund 1 hlýtur að vera mjög ung. Stjörnufræðingarnir hafa áætlað að þyrpingin sé milli 3,5 til 5 milljón ára gömul. Westerlund 1 er því augljóslega nýgræðingur í Vetrarbrautinni okkar.
[2] Fullt heiti stjörnunnar er Cl* Westerlund 1 W 5.
[3] Þegar stjörnu eldast breyta kjarnahvörf efnauppbyggingu þeirra — frumefni sem knýja hvörfin klárast og afurðirnar hlaðast upp. Þessi efnafræðilegu fingraför stjarnanna er fyrst vetnis- og niturrík en kolefnissnauð en það er aðeins seint á ævi stjarnanna sem kolefni eykst og verður þá vetni og nitur mjög af skornum skammti — talið er ómögulegt að stakar stjörnur geti verið vetnis-, nitur- og kolefnisríkar samtímis eins og Westerlund 1-5 er.
Frekari upplýsingar
Niðurstöðurnar sem kynntar eru í þessari fréttatilkynningu ESO munu birtast innan tíðar í tímaritinu Astronomy & Astrophysics („A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: IV.Wd1-5 binary product and a pre-supernova companion for the magnetar CXOU J1647-45“ eftir J. S. Clark o.fl.). Sami hópur birti fyrstu rannsóknina á þessu fyrirbæri árið 2006 („A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1“ eftir M. P. Muno o.fl., Astrophysical Journal, 636, L41).
Í rannsóknarteyminu eru Simon Clark og Ben Richie (Open University í Bretlandi), Francisco Najarro (Centro de Astrobiología á Spáni), Norbert Langer (Universität Bonn í Þýskalandi og Universiteit Utrecht í Hollandi) og Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante á Spáni).
Stjörnufræðingarnir notuðu FLAMES mælitækið á Very Large Telescope ESO í Paranal í Chile til að rannsaka stjörnurnar í Westerlund 1 þyrpingunni.
ESO er fremsta fjölþjóðlega stjörnustöð Evrópu og lang öflugasta stjörnustöð heims. Hún nýtur stuðnings 15 landa: Austurríkis, Belgíu, Brasilíu, Tékklands, Danmörku, Finnlands, Frakklands, Þýskalands, Ítalíu, Hollands, Portúgals, Spánar, Svíþjóðar, Sviss og Bretlands. ESO heldur úti metnaðarfullum verkefnum sem miða að hönnun, smíði og starfsemi öflugra stjörnustöðva á jörðinni sem gera stjörnufræðingum kleift að gera mikilvægar uppgötvanir. ESO leikur líka lykilhlutverk í að efla og skipuleggja samstarf í stjarnvísindarannsóknum. ESO starfrækir þrjár stjörnuathugunarstöðvar í heimsflokki: La Silla, Paranal og Chajnantor. Á Paranalfjalli starfrækir ESO Very Large Telescope, fullkomnustu stjörnusjónauka heims sem notaðir eru til athugana á sýnilegu ljósi og tvo kortlagningarsjónauka. VISTA er stærsti kortlagningarsjónauki veraldar fyrir innrautt ljós og VLT Survey Telescope er stærsti sjónauki heims sem eingöngu er ætlað að kortleggja himinn í sýnilegu ljósi. ESO er þátttakandi í ALMA, byltingarkenndum útvarpssjónauka og stærsta stjarnvísindaverkefni heims. ESO hyggur einnig á smíði 39 metra risasjónauka, European Extremely Large Telescope eða E-ELT sem verður „stærsta auga jarðar“.
Tenglar
Tengiliðir
Sævar Helgi Bragason
Háskóli Íslands
Reykjavík, Ísland
Farsími: 8961984
Tölvupóstur: [email protected]
Tengdar myndir
Þetta er þýðing á fréttatilkynningu ESO eso1415.