Musik fra en kæmpestjerne

Lydbølger fundet i en kæmpestjerne

Et hold ledet af danske astronomer har netop som de første opdaget, at kæmpestjerner vibrerer i slow motion. Overfladen bevæger sig op og ned med hastigheder på 1-2 m/s i et kompliceret mønster. Dette skyldes at et stort sæt af lydbølger bevæger sig på kryds og tværs gennem stjernen og får stjernen til at reagere som et musikinstrument. Det er første gang det er set i så stor en stjerne. Opdagelsen har stor betydning for udforskningen af stjerners livsforløb.

Astronomer har nu for første gang mulighed for at "se" ind i en gammel stjerne, som om få millioner år vil dø. Det vil bl.a. kunne give os vigtig information om den skæbne som engang - om mere end 5 milliarder år - vil overgå vores egen stjerne: Solen.

Seismologi

Lydbølger finder man alle steder. De bruges bl.a. til at kommunikere med, men de er også gode til at undersøge områder, som vi ikke kan se igennem. Det kan være en undersøgelse af et foster eller seismiske målinger for at finde olie eller andre mineraler. Fiskere bruger ekkolod for at finde fisk.

I Solen har man også brugt observationer af lydbølger på overfladen til at skaffe sig et meget detaljeret kendskab til Solens indre, bl.a. dens indre temperatur og tæthed. Også i andre stjerner, som ligner Solen har man inden for de sidste par år fundet lydbølger. Lydbølgerne findes ved at studere stjernernes overflade. Når lydbølgen når stjernens overflade får det overfladen til at bevæge sig i en periodisk svingning. Det er disse svingninger astronomerne kan måle.

Et hold af astronomer fra Institut for Fysik og Astronomi (IFA), Aarhus Universitet, har nu sammen med astronomer fra Belgien og Schweiz fundet tilsvarende lydbølger på en kæmpestjerne med navnet xi Hydrae i stjernebilledet Søslangen (Hydra). Observationerne af bevægelsen af stjernens overflade er lavet med en teknik oprindelig udviklet til at måle effekten af planeter i bane om andre stjerner. [1]

Resultatet præsenteres her i form af en lydfil og et lydspektrum. Til sammenligning er der en lydfil af en tromme med det tilsvarende lydspektrum. For at bringe de observerede lydbølgers frekvenser op i et område, som vi kan opfatte har vi ganget frekvensen med en million. En kæmpestjernes lydbølger svarer til en gigantisk tromme, som frembringer lyd med en frekvens langt, langt lavere end vi ville kunne høre.

Den store finale

Det interessante ved de nye resultater er, at vi her - i modsætning til tidligere studerede stjerner - har med en stjerne at gøre, som nu er i en af de allersidste faser af sit liv. Dens parametre er en masse på 3,4 gange Solen, en lysstyrke på 62 gange Solen, en diameter på 10 gange Solen og en afstand på 130 lysår.

Xi Hydrae er i en fase, hvor brændstoffet brint er opbrugt i de centrale dele af stjernen. Energiproduktionen fortsætter dog i en skal, som bevæger sig udad efterhånden som brinten opbruges. Samtidig udvider de yderste dele af stjernen sig hurtigt og stjernens lysstyrke stiger hurtigt. Xi Hydrae vil fortsætte sin udvidelse og blive 3-4 gange større. Herefter begynder den på de sidste 10% af sit liv, hvor den forbrænder helium, inden den ender som en udslukt, meget kompakt hvid dværgstjerne.

Rømer missionen

Mange af himlens stjerner udviser lydbølgevariationer som er meget mindre end de som er fundet i xi Hydrae. Forsøg på at observere lydbølgevariationer i de fleste af himlens nærmeste stjerner er derfor indtil videre mislykkedes. Målinger fra Jordens overflade påvirkes af forstyrrende luftbevægelser i Jordens atmosfære.

En simpel måde at undgå denne effekt på er at rejse op i rummet. Her vil stjernerne stå klart og stabilt lysende. Det er netop ideen i den danske satellit Rømer som forventes opsendt i sommeren 2005. Rømer vil som den første kunne udføre nøjagtige målinger på et antal af himlens klareste og nærmeste stjerner.

Rømer bliver som Ørsted (Danmarks første satellit) en avanceret satellit med et omfattende videnskabeligt program. Trods sin ringe størrelse (100 kg og 60 cm x 60 cm x 71 cm) vil Rømer medbringe en avanceret videnskabelig nyttelast, som vil give danske forskere en enestående mulighed for at studere stjernernes indre og deres udvikling.

Det er tanken, at Rømer satellitten over en periode på to år skal foretage målinger af stjernesvingninger i omkring 20 nære stjerner, samt flere tusinde fjernere stjerner. Hovedvægten lægges på stjerner af samme type som Solen. Rømer vil pege på hver stjerne uafbrudt i ca. en måned.

Længere frem i tiden

European Space Agency (ESA) har netop vedtaget at gennemføre Eddington missionen. Eddington skal først observere et stort antal stjerner i tre år, for at detektere planeter i bane omkring stjernerne: hvis en sådan planet passerer mellem stjernen og os vil det kortvarigt reducere lyset fra stjernen. På den måde håber man at finde planeter i Jordens størrelse, måske med egenskaber der kan muliggøre udviklingen af liv. I den anden fase af missionen, der er planlagt til at vare to år, vil Eddington studere det indre af et stort antal stjerner ved at observere stjerneskælv (bevægelser af overfladen). Danske astronomer var blandt de oprindelige forslagsstillere til missionen, og de deltager i ledelsen af projektet.

Eddington-mission vil altså fortsætte, hvor Rømer slutter: fra omkring 2011 vil den observere lydbølger i et meget stort antal stjerner. Efter Rømer-projektet vil danske astronomer være i en enestående god position til at udnytte de meget omfattende resultater fra Eddington. Rømer vil også hjælpe os til at stille nye spændende spørgsmål om stjernernes liv - spørgsmål som Eddington forhåbentlig kan være med til at besvare.

Kontaktpersoner:

Søren Frandsen
Institut for Fysik og Astronomi
Aarhus Universitet
Tlf. 8942 3612
Email: srf@ifa.au.dk

Jørgen Christensen-Dalsgaard
Institut for Fysik og Astronomi
Aarhus Universitet
Tlf. 8942 3614, Mobil 2924 4666
Email: jcd@ifa.au.dk

Hans Kjeldsen
Teoretisk Astrofysik Center
Aarhus Universitet
Tlf. 8942 3609
Email: hans@ifa.au.dk

Noter

[1] Teknikken for observationerne. Observationerne er sket med det schweiziske Euler teleskop på ESO's La Silla observatorium i Chile. Lydbølgerne findes ved at måle stjernens overflades bevægelse op og ned. Det sker ved at måle forskydningen i lysets bølgelængde forårsaget af den såkaldte Dopplereffekt: når stjernens overflade bevæger sig mod detektoren bliver lyset `trykket lidt sammen' og dermed forskudt mod kortere bølgelængder, og effekten er modsat når stjernen bevæger sig væk fra detektoren. (En tilsvarende effekt, men for lyd, forårsager ændringen i tonehøjden fra en ambulance der kører forbi.) Den schweiziske kikkert er koblet til en ultrastabil spektrograf, der bestemmer bølgelængden af lyset. Dermed kan man måle ganske små hastighedsforskelle. Derfor har netop dette instrument været brugt til at finde et stort antal planeter der cirkler om fremmede stjerner (exoplaneter). Planeterne cirkler omkring stjernerne og trækker stjernen frem og tilbage så man ser hastigheds-ændringer af stjernen på 10 til 50 m/s. I seismisk sammenhæng har denne spektrograf været brugt til at finde frekvenser af lydbølger i to stjerner: alpha Centauri A, som er en tvilling til Solen, og delta Eridanus, som er noget lysstærkere end Solen.

Jo større et instrument er, desto lavere er dets frekvens. Det gælder også for stjerner. I Solen, der er en relativt lille stjerne, er typiske frekvenser omkring 3 milliHertz (tusindedele Hertz), svarende til perioder på omkring 5 minutter. I xi Hydrae er frekvenserne 50 - 120 mikroHertz, svarende til perioder mellem 3 og 6 timer.

Links

• http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2002/pr-10-02.html: Pressemeddelse på engelsk, udsendt af European Southern Observatory (ESO).
• http://astro.ifa.au.dk/Roemer/: Mere om Rømer-projektet og asteroseismologi.
• http://exoplanets.org/linkframe.html: Mere om exoplaneter.
• http://sci.esa.int/content/news/index.cfm?aid=1&cid=1&oid=30022: Pressemeddelelse på engelsk, om European Space Agency's nye videnskabelige program, som omfatter Eddington.
• http://astro.ifa.au.dk/Roemer/da/gallery.html: Rømer billedgalleri.