Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

De variable delta-Scuti-stjerner afslører nogle af deres hemmeligheder

Dansk grundforskningscenter i Aarhus er centralt for nyopdagede egenskaber ved de forunderlige delta-Scuti-stjerner. Historien offentliggøres i tidsskriftet Nature i dag, onsdag den 13. maj

11.05.2020 | Ole J. Knudsen

Delta Scuti-stjernen beta Pictoris. Foto: ESO

Delta Scuti-stjernen beta Pictoris. Foto: ESO

Med observationer fra NASA-satellitten TESS har en international forskergruppe med stærk deltagelse af forskere fra Stellar Astrophysics Centre ved Aarhus Universitet studeret 60 stjerner fra den klasse af variable stjerner, som er opkaldt efter stjernen delta Scuti i stjernebilledet Skjoldet. Denne type stjerner har hidtil unddraget sig nærstudier af deres egenskaber, fordi den måde de vibrerer på er særdeles kompleks og svær at undersøge.

Det, som astronomerne studerer ved de svingende stjerner er stjernernes regelmæssige vibrationer. En stjerne svinger som en anslået klokke, og på samme måde som seismologerne kan undersøge Jordens indre ved at studere bølger skabt af sprængninger og jordskælv, så kan astronomerne ”se” ind i stjernernes indre gennem de variationer der observeres på stjernernes overflade, med den teknik, som kaldes asteroseismologi. Selvom delta Scuti-stjernerne på mange måder ligner Solen, er artiklen i Nature den første analyse hvor asteroseismologerne har opdaget regelmæssige mønstre af svingningsfrekvenser i denne type stjerner. Det regelmæssige mønster i svingningsfrekvenserne gør det nu for første gang muligt entydigt at sammenligne de observerede frekvenser med teoretiske forudsigelser og dermed bruge observationerne til at blive klogere på disse stjerners egenskaber og det vil få stor betydning for hele vores forståelse af hvordan stjerner er bygget op og hvordan de udvikler sig.

 

I Solen finder astronomerne svingningsfrekvenser med perioder, som varer minutter. I en typisk delta Scuti-stjerne varer de fleste svingninger flere timer, men med TESS-satellitten er der opdaget andre svingninger, som ligner dem i Solen. Længden af de orange "pinde" viser hvor energirge svingningerne er. Illustration: HK/SAC/AU.

Når satellitter som for eksempel NASAs TESS studerer stjerner, gør de det ved at måle småbitte variationer i lysstyrken for titusindvis af stjerner samtidigt og over flere uger. Ser man svingningsmønstrene for en almindelig ”velopdragen” stjerne som for eksempel Solen eller en af de røde kæmpestjerner, vil det være pænt og regelmæssigt som et kardiogram fra et sundt hjerte. Svingningsmønstrene for de fleste delta-Scuti-stjerner ville få hjertelægen til omgående at sætte en behandling i gang! Men i artiklen i Nature har forskerne ud af de tusindvis af delta Scuti-stjerner, der er blevet observeret af TESS, fundet 60 der udviser nogle fællestræk i form af regelmæssigheder i svingningsmønstrene. Oven i købet er det frekvensmønstre, som dem, vi kender fra de stjerner som minder om Solen. Og med det er astronomerne på kendt grund: Professor Jørgen Christensen-Dalsgaard, Aarhus Universitet, som ikke er medforfatter på artiklen, er begejstret: "Nu kan vi begynde at studere disse variable stjerners indre forhold, og dermed kan man lære endnu mere om, hvordan stjerner fungerer i detaljer og under særlige forhold. Vi bliver klogere også på, hvordan vores mere velopdragne stjerne Solen fungerer, og hvorfor den er så forholdsvis stabil og rolig, og dermed på vores plads i Universet.

Medforfatter professor Hans Kjeldsen, Aarhus Universitet tilføjer: "De nye resultater vil for eksempel kunne bruges til at bestemme aldrene af  grupper af stjerner, som optræder i hobe og i stjernestrømme – stjerner der klumper sig sammen og som endnu ikke rigtig har lært reglerne om social afstand!"

 Hovedforfatteren til den nye artikel i Nature er Professor Tim Bedding, der leder SAC-gruppen i Sydney, og som er en hyppig gæst ved Aarhus Universitet. Tim Bedding kommenterer: "Til nu har der været alt for meget rod i de mange blandede toner og rytmer, vi har set, til at kunne forstå denne type pulserende stjerner. Det har været lidt som at høre en kat gå hen over klavertangenterne." Han fortsætter: "De helt utroligt præcise data fra NASAs TESS-satellit har gjort det muligt for os at skære igennem støjen, så vi nu finder en struktur, som ligner pæne klaverakkorder."

Medforfatter til artiklen Victoria Antoci, som har forsket ved SAC i 8 år, men som nu er seniorforsker ved DTU Space, har denne supplerende kommentar: "Resultaterne her er fantastiske, og meget vigtige, og med dem kan vi bedre forstå de mekanismer, som driver disse pulserende stjerner. Det er noget, som har været skjult for os i 120 år - siden den første delta Scuti-stjerne blev opdaget."

Mere om SAC

Stellar Astrophysics Centre (SAC) er et center under Danmarks Grundforskningsfond, og på SAC i Aarhus arbejder en række astronomer med asteroseismologi. Aarhusafdelingen af SAC fungerer som kerne eller "nav" i et større internationalt samarbejde, og der findes SAC-grupper, eller ”knudepunkter” i en række lande Verden over. Centeret ledes af professor Jørgen Christensen-Dalsgaard, som er en af pionererne indenfor asteroseismologi. Artiklen i tidsskriftet Nature har flere medforfattere fra Aarhus, samt en lang række andre forskere, som er tilknyttet det danske center, blandt de i alt 35 medforfattere tilknyttet 24 forskellige forskningsinstitutioner i 10 lande.

De observationer, som indsamles fra satellitter som TESS, indsendes til Stellar Astrophysics Centre på Aarhus Universitet. Her behandles de rå data, og gøres tilgængelige for de mange blandt alverdens astronomer, som studerer stjernernes indre strukturer. På den måde har SAC gennem de seneste otte år spillet en central international rolle i dette forskningsfelt.

 

Hvad er en delta Scuti-stjerne?

Rigtig mange af stjernerne på himlen varierer i lysstyrke af mange forskellige årsager. I en bestemt overgangsfase i deres liv og udvikling vil de fleste stjerner begynde at variere. I delta Scuti-stjernernes atmosfærer er det forholdsvis meget af grundstoffet helium, og det er helium, som er den dominerende faktor i stjernernes variationer. Når helium opvarmes af energien fra stjernens indre, ioniseres den - dvs, at den mister nogle elektroner.

Kølig helium er uklart, så lyset ikke så godt kan slippe igennem og ud i rummet. Den indespærrede energi opvarmer så grundstoffet og hele stjerneatmosfæren, så den udvider sig, ioniseres og bliver mere gennemsigtig, så lysenergien kan slippe væk, og stjernen lyser kraftigere. Men når energien slipper ud, får det stjernens ydre lag til at miste energi og afkøles, og helium bliver igen mere uigennemskinneligt - og så kan processen begynde forfra: stjernen lysstyrke pulserer.

Delta Scuti er den stjerne, som har givet navn til denne gruppe variable stjerner. Den befinder sig i stjernebilledet Skjoldet, nær Ørnen på sommerhimlen, og den kan ses med det blotte øje en klar og mørk nat. Man skal dog have instrumenter for at opdage, at den er variabel. Dens størrelsesklasse varierer med under 20% over en perioden på godt 4 1/2 time. Det to meget klarere stjerner Altair i Ørnen og Denebola i Løven er også eksempler på delta Scuti-stjerner.

 

Swingin' on a Star

Både Solen og de andre stjerner svinger som gigantiske klokker, og det skaber små variationer i stjernens samlede lysstyrke. Det er så små variationer, at det er yderst svært at måle fra jordoverfladen, så de mest nøjagtige målinger sker fra satellitter, som for eksempel CoRot, Kepler og TESS. En stjernes varierende lyskurve kan omsættes til en række svingningsfrekvenser, ligesom overtonerne i et musikinstrument, og disse frekvenser er karakteristiske for de fysiske forhold inde i stjernen; helt ind til de centrale dele. Teknikken, som kaldes asteroseismologi, kan sammenlignes med geologernes brug af seismiske målinger fra jordskælv og sprængninger til at "se" ind i Jordens indre. Asteroseismologerne ser processer i stjernernes utilgængelige indre, og det giver viden om mange grundlæggende værdier for stjernerne. Svingningerne fortæller dog ikke alt om stjernen. Et fuldstændigt billede kræver også oplysninger om stjernens temperatur og metalindhold. Her kommer de jordbaserede målinger ind i billedet. Samlet giver det os viden om stjernernes aldre, deres størrelse og mange andre af de fysiske forhold, som hersker i stjernernes indre.

 

Artiklen i Nature findes her efter offentliggørelsen 

 

Find mere om Stellar Astrophysics Centre her

 

DOWNLOAD animation med den pulserende delta Scuti-stjerne HD 31901 med lydfil på dette link.  

Baggrundsmateriale fra NASA:

Historien

YouTube-vido om TESS satellitten på dette link.

Yderligere materiale

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Studerende, Offentligheden / Pressen