2011.09.30. - Egy kétarcú csillag rezgései

Először sikerült kimutatni egy Napunknál forróbb és kissé nagyobb tömegű csillag kétféle rezgéseit: energiaterjedési modulációk mellett konvektív anyagmozgások is berezgetik a Kepler-űrtávcső által vizsgált égitestet.

Nagyon sok csillag mutat rezgéseket, s ezek a rezgések többféle mechanizmus révén jönnek létre. A legfeltűnőbb, legnagyobb amplitúdójú és legrégebben ismert módja a pulzációnak az ún. kappa-mechanizmus, mely önfenntartó módon, a csillaganyag átlátszatlanságának (opacitásának, erre utal a görög kappa betű) köszönhetően a különböző kémiai elemek ionizációja révén tartja periodikus mozgásban a csillag egészét, vagy külső rétegeit. Az energia ionizációra fordítódik, így tárolódik, majd a megfelelő időben rekombináció jön létre azokban a csillagokban, melyek egy jól meghatározott területen, az instabilitási sávban helyezkednek el a Hertzsprung-Russell-diagramon. Ennek a folyamatnak köszönhetik fényváltozásukat a legismertebb pulzáló változócsillagok, többek között a cefeidák, az RR Lyrae csillagok, a mirák és a δ Scuti csillagok is. Az utóbbiak hasonlítanak leginkább Napunkhoz: 1,5-2,5 naptömeggel bírnak, és radiális (gömbszimmetrikus) vagy nemradiális módusokat is mutathatnak. Egy-egy rezgési módus már önmagában is nagyon fontos megszorítást ad például a csillag sűrűségére, több módus pedig további paraméterek meghatározását teszi lehetővé.

A Nap, a vörös óriások és más jelentős konvektív réteggel burkolt csillagokat a konvekció, azaz a csillaganyag forrongása is rezgésre kényszerítheti, ahogy a vízforraló edény is rezgésbe jön, amint a folyadék forrása elég vehemenssé válik. Ez a folyamat állandóan gerjeszti a csillag szerkezetére jellemző ún. sajátmódusokat, amik viszont igyekeznek gyorsan lecsillapodni. Az ily módon létrejövő rezgéseket sztochasztikusan gerjesztett rezgéseknek, vagy Nap típusú (szoláris) oszcillációnak hívjuk. Napunk több százezer ilyen módusban rezeg egyszerre nagyon kis amplitúdóval. A csillagszeizmológia ezeket a rezgéseket használja a csillagok szerkezetének, a bennük végbemenő folyamatoknak, a csillag kémiai összetételének, korának, sugarának pontos meghatározására, illetve feltérképezésére. Végül egy közeli csillagkísérő miatti árapályhatások révén is rezgésre bírható egy csillag, korunk űrfotometriai missziói (pl. a Kepler) szép számmal akadtak ilyen egzotikus "asztroszeizmológiai laboratóriumokra" az utóbbi néhány évben.

A Nap és egy δ Scuti csillag méretarányos szerkezete. A Nap sugarának 30, a δ Scutiénak mindössze 1%-át teszi ki a konvektív réteg.
[R. Siedek, V. Antoci]

Ha egy csillag többféle oszcillációt is mutat, akkor jelentősen pontosíthatóak a szerkezetére vonatkozó ismereteink, hiszen a különböző oszcillációk a csillag más-más rétegeiről hordoznak független információt. Napunk külső részének tekintélyes része konvektív, vagyis ebben a zónában a magban termelt energia nem sugárzással terjed kifelé. Ha a csillag tömegét gondolatban növeljük, akkor a konvektív burok kiterjedése gyorsan csökken. A körülbelül kétszeres naptömegű csillagok már nem rendelkeznek konvektív réteggel, de ez a határ elég bizonytalan. Továbbá az sem világos, hogy milyen vastag konvektív réteg és mennyire erőteljes konvekció szükséges a Nap típusú oszcillációk létrejöttéhez. Elméleti jóslatok alapján a δ Scuti típusú változócsillagok mutathatnak naptípusú oszcillációkat is, de eddig erre nem találtak példát a csillagászok.

A HD 187547 δ Scuti csillag fényváltozása.
[V. Antoci]

a) A HD 187547 eredeti frekvenciaspektruma b) A frekvenciaspektrum 16 δ Scuti jellegű rezgési frekvencia eltávolítása után c) Kiszélesedett, állandó frekvenciaközű naptípusú oszcilláció frekvenciái egy szűkebb frekvenciatartományban.
[V. Antoci]

A kérdés eldöntéséhez Vichi Antoci (Bécsi Egyetem, Csillagászati Intézet) és munkatársai a NASA Kepler-űrtávcsövének nagy pontosságú méréseit használták. A nemzetközi kutatócsoport több száz δ Scuti csillag fényváltozását vizsgálta át naptípusú rezgések után kutatva. A naptípusú rezgések kimutatása és valódi természetük bizonyítása hosszadalmas folyamat, elsősorban azért, mert a kétféle rezgés várható frekvenciatartománya nagyon hasonló. Ráadásul a kappa-mechanizmus által gerjesztett rezgések amplitúdója jóval nagyobb a szoláris rezgésekénél, ezért először eltávolították a nagy amplitúdójú rezgések jeleit a fénygörbéből, melyek periódusa 20 és 80 perc közé esett. Ezután fésűszerű, állandó frekvenciakülönbségű jeleket kerestek, ezek a Nap típusú rezgések ismertető jegyei. Mindössze egyetlen jó jelöltet találtak, ez az objektum azonban minden szempontból eleget tett a kiválasztás kritériumainak. A vizsgálatok szerint a HD 187547 jelű csillag δ Scuti jellegű és szoláris oszcillációt is mutat, az utóbbiak a véges időtartam (lecsengés) miatt jóval szélesebb csúcsokat eredményeznek a frekvenciaspektrumban. A csillag fényváltozását a Kepler fedezte fel, és 30 napig folyamatosan, 1 perces mintavétellel mérte 2009 őszén. A frekvenciacsúcsokhoz tartozó rezgések periódusa 19 és 29 perc közé esik (a Nap rezgései tipikusan 4-8 percesek), jó egyezésben az elméleti jóslatokkal. A csillag tömege az előzetes becslések szerint 1,8 naptömeg, effektív hőmérséklete mintegy 7500 K. A spektroszkópiai vizsgálatok azt is kiderítették, hogy a csillag felszínén bizonyos elemek gyakorisága szokatlan, ami jellemző ezen csillagokra. A lassú forgás miatt a nehezebb elemek lefelé, a könnyebbek a csillag felszíne felé mozognak. A diffúziónak nevezett jelenség szintén nem teljesen értett folyamat ezekben az objektumokban.

Az eredmény az exobolygó-kereső Kepler-űrtávcső ultrapontos fényességméréseire alapuló asztroszeizmológiai felfedezések sorába illeszkedik. Ennek alapján most már nem csak a Naphoz hasonló csillagok és a vörös óriások százainak belső szerkezete ismerhető meg korábban elképzelhetetlen pontossággal, hanem a HD 187547-hez hasonló, közepes tömegű csillagoké is. A felfedezés rámutat, hogy a Napnál nagyobb tömegű csillagok vékony konvekciós zónájában zajló turbulens konvekció is elég ahhoz, hogy sztochasztikusan rezgéseket gerjesszen a csillagban, és lehetőséget ad ennek a zónának a behatóbb tanulmányozására.

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2011. szeptember 29-i számában jelent meg.

Forrás:

• Nature 477, 570-573 (29 September 2011) doi:10.1038/nature10389