Solens framtid syns i en helt oväntad spiral i rymden

Bakom fyndet ligger ett forskarteam där flera astronomer från Chalmers och Onsala rymdobservatorium ingår. Forskarteamet gjorde upptäckten med teleskopet Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), världens mest kraftfulla teleskop för ljus med våglängd kring en millimeter.

Spiralstrukturen i gasen som de hittade runt den röda jätten R Sculptoris är unik. Det är första gången som en sådan struktur, tillsammans med ett sfäriskt yttre skal, har hittats runt en röd jättestjärna. Det är också första gången som astronomer har kunnat samla information om hur en sådan spiral ser ut i tre dimensioner.

Upptäckten av spiralen tyder på att stjärnan egentligen är en dubbelstjärna: runt den kretsar en hittills okänd kompanjon.

Matthias Maercker, som är studiens försteförfattare, är astronom vid ESO och Argelander-institutet för astronomi vid Bonns universitet i Tyskland.

– Vi har sett runda skal av materia runt sådana här stjärnor förut. Men det här är första gången någonsin som vi sett både ett yttre skal och en spiral som utgår från stjärnan, säger han.

Röda jättestjärnor som R Sculptoris blåser ut stora mängder av material i rymden. De gör viktiga bidrag till de mängder av stoft, damm och gas som utgör råmaterialet för nya generationer av stjärnor, planetsystem – och så småningom även liv.

Wouter Vlemmings, astronom på Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, är medförfattare till studien.

– När vi observerade stjärnan med Alma fanns inte ens hälften av teleskopets antenner på plats. Det är riktigt spännande att föreställa sig vad Alma kommer att kunna göra när hela antennuppställningen är klar år 2013, säger han.

När stjärnor med massa upp till 8 gånger solens blir gamla, blir de röda jättar och tappar en stor del av sin massa i täta stjärnvindar.

De nya observationerna av R Sculptoris visar att stjärnan drabbades av en så kallad termisk puls för 1800 år sedan, som varade i cirka 200 år. En termisk puls är en kortlivad fas då stjärnan bränner helium på ett våldsamt sätt i ett skal djupt inne i stjärnans kärna. Pulsen leder till att materia kastas ut från stjärnans yta i allt högre takt, och ett stort skal av stoft och gas bildas runt stjärnan.

Sådana termiska pulser återkommer med 10 000 till 50 000 års mellanrum, och varje puls varar i bara ett par hundra år.  Det var då som kompanjonstjärnan formade vinden från R Sculptoris och skapade spiralstrukturen.

– Kraften i Alma gör att vi kan se fina detaljer. Genom att studera spiralstrukturen kan vi få en bättre förståelse för vad som händer med stjärnan före, under och efter den termiska pulsen. Att vi upptäcker nya saker redan med några av de första observationerna med Alma är väldigt roligt, säger Matthias Maercker.

– Inom den närmaste framtiden kommer observationer av stjärnor som R Sculptoris att hjälpa oss att förstå hur de grundämnen som vi är uppbyggda av en gång nådde ställen som just jorden. De ger oss dessutom en aning om hur vår egen stjärnas avlägsna framtid kan se ut.

Fakta om AGB-stjärnor, röda jättar och teleskopet Alma
R Sculptoris är ett exempel på en särskild sorts röda jättar som kallas AGB-stjärnor. Dessa är gamla stjärnor som började med en massa på mellan 0,8 och 8 gånger solens. De är relativt svala, röda jättestjärnor vars kraftiga stjärnvindar gör att de tappar massa i hög takt. På stjärnhimlen framträder de som variabla stjärnor vars ljusstyrka varierar långsamt men regelbundet. I mitten av en sådan stjärna finns en mycket liten kärna av kol och syre, som är omgiven av ett tjockare skal där väte och helium bränns i kärnreaktioner. Skalet omges i sin tur av ett utsträckt hölje där konvektion transporterar energi utåt. Solen kommer så småningom att utvecklas till en AGB-stjärna.

Skalen som AGB-stjärnor kastar ut består av gas och stoftkorn. Stoftkornen kan upptäckas tack vare deras värmestrålning som ger sig till känna som ljus med våglängder mellan långvågigt infrarött och millimetervågor. Med teleskop som är känsliga för millimetervågor kan astronomer fånga upp strålning från molekyler av kolmonoxid (CO) runt stjärnorna. Det gör det möjligt för dem att skapa kartor i hög upplösning av gasen i stjärnornas kraftfulla vindar. Med sådana observationer kan man spåra hur gasen runt stjärnorna ligger utspridd i rymden. Almas höga känslighet gör dessutom att man direkt kan avbilda områden runt stjärnan där stoft kondenserar, och på så sätt avslöja vad materian runt stjärnan har för struktur. Med Alma kan man se detaljer så fina som 0,1 bågsekund.

Trots att Alma ännu inte var färdigbyggt då observationerna gjordes lyckades teleskopet ändå prestera långt bättre än andra observatorier för submillimeterljus. Tidigare observationer hade tydligt visat ett sfäriskt skal runt R Sculptoris. Men vare sig spiralstrukturen eller någon kompanjonstjärna har skymtats tidigare.

För att kunna förstå strukturen som de sett runt R Sculptoris har astronomerna genomfört datorsimuleringar som följer hur dubbelstjärnan utvecklas med tiden. Datamodellerna stämmer väl överens med de nya Alma-observationerna. I forskarnas modell ingår en AGB-stjärna som genomgår en termisk puls. Runt den kretsar en annan, mindre stjärna på ett avstånd på 60 au (60 gånger avståndet mellan jorden och solen) och med en period på 350 år. Tillsammans väger stjärnorna två gånger solens massa.
 
Fakta om studien och forskarlaget
Forskningsresultaten presenterades artikeln “Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris”, av Maercker m. fl. som publiceras i tidskriften Nature.
Teamet består av M. Maercker (ESO; Argelander-institutet för astronomi, Bonns universitet, Tyskland), S. Mohamed (Argelander-institutet för astronomi; South African Astronomical Observatory, Sydafrika), W. H. T. Vlemmings (Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, Sverige), S. Ramstedt (Argelander-institutet och Uppsala universitet), M. A. T. Groenewegen (Belgiens kungliga observatorium, Bryssel, Belgien), E. Humphreys (ESO), F. Kerschbaum (Institutionen för astronomi, Wiens universitet, Österrike), M. Lindqvist (Onsala rymdobservatorium), H. Olofsson (Onsala rymdobservatorium), C. Paladini (Institutionen för astronomi, Wiens universitet, Österrike), M. Wittkowski (ESO), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Chile) samt L.-Å. Nyman (Joint ALMA Observatory).
 
Ytterligare fakta om Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
Alma är en internationell anläggning för astronomi, ett samarbete mellan Europa, Nordamerika och Ostasien i samverkan med Chile. Bygget och driften av Alma leds för Europas del av Europeiska sydobservatoriet (ESO), för Nordamerikas del av National Radio Astronomy Observatory (NRAO) och för Ostasiens del av Nationella astronomiska observatoriet i Japan (NAOJ). Joint Alma Observatory (JAO) leder organisationen av bygget, samt igångsättningen och driften av Alma.
Alma observerar universum i radiovågor: ljus som är osynligt för våra ögon. Extremt svaga signaler från rymden samlas in av Almas antenner och fokuseras på mottagarna, som i sin tur omvandlar strålningen till elektriska signaler.
 
Fakta om Onsala rymdobservatorium
Onsala rymdobservatorium är Sveriges nationella anläggning för radioastronomi. Observatoriet förser forskare med utrustning för studier av jorden och resten av universum. I Onsala, 45 km söder om Göteborg, drivs två radioteleskop och en station i teleskopnätverket Lofar. Observatoriet medverkar även i flera internationella projekt. Institutionen för rymd- och geovetenskap på Chalmers tekniska högskola är värd för observatoriet. Verksamheten drivs på uppdrag av Vetenskapsrådet.
 

KONTAKT
Robert Cumming, astronom och informatör, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, 031-772 55 00, 070-493 31 14, robert.cumming@chalmers.se
Wouter Vlemmings, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, 031-772 55 09, 073-354 46 67,  wouter.vlemmings@chalmers.se