Astronomowie znaleźli sposób na pomiar zmian temperatury w gwieździe z większą niż kiedykolwiek precyzją, co stanowi przełom, który może być szczególnie przydatnym do wykrywania i badania egzoplanet.
Astronomowie badają gwiazdy, przyglądając się różnym kolorom emitowanego przez nie światła – kolorom, które rejestrują i analizują za pomocą spektroskopii. Teraz zespół kierowany przez astrofizyka Étienne’a Artigau z Université de Montréal opracował technikę, która wykorzystuje widmo gwiazdy do rejestrowania zmian jej temperatury z dokładnością do dziesiątej części stopnia Celsjusza, w różnych skalach czasowych.
Śledząc temperaturę gwiazdy, możemy się wiele o niej dowiedzieć, na przykład o jej okresie rotacji, aktywności gwiazdowej czy polu magnetycznym – wyjaśnił Artigau. Taka szczegółowa wiedza jest również niezbędna do znalezienia i zbadania planet gwiazdy.
W artykule, który zostanie opublikowany w czasopiśmie The Astronomical Journal, Artigau i jego zespół demonstrują skuteczność i wszechstronność tej techniki, wykorzystując obserwacje czterech bardzo różnych gwiazd za pomocą teleskopu Canada-France-Hawaii na Hawajach i 3,6-metrowego teleskopu ESO w La SIlla w Chile.
Lepsza technika analizy widm
Naukowcy najpierw zwrócili uwagę na widma gwiazd, aby poprawić wykrywanie egzoplanet za pomocą prędkości radialnych. Metoda ta mierzy niewielkie oscylacje gwiazdy generowane przez grawitacyjne przyciąganie planety. Im większe oscylacje, tym większa planeta.
Trudno jest jednak wykryć bardzo małe oscylacje, a tym samym planety o niskiej masie. Aby przezwyciężyć ten problem, Artigau i jego zespół opracowali technikę wykorzystującą metodę prędkości radialnych, która analizuje całe widmo gwiazdy, a nie tylko kilka jej fragmentów, jak miało to miejsce wcześniej.
Umożliwia to wykrywanie planet tak małych jak Ziemia, krążących wokół małych gwiazd. Artigau wpadł następnie na pomysł wykorzystania podobnej strategii do wykrywania nie tylko zmian oscylacji gwiazdy, ale także jej temperatury.
Rozróżnianie gwiazd i ich planet
Pomiary temperatury mają kluczowe znaczenie w poszukiwaniu egzoplanet, które w większości przypadków są obserwowane pośrednio poprzez dokładne śledzenie ich gwiazd. W ostatnich latach astronomowie stanęli przed poważną przeszkodą: jak odróżnić obserwowalne efekty gwiazdy od jej planety.
Stanowi to problem zarówno w poszukiwaniu egzoplanet przy użyciu prędkości radialnych, jak i w badaniu ich atmosfer przy użyciu spektroskopii tranzytowej.
Bardzo trudno jest potwierdzić istnienie egzoplanet lub zbadać jej atmosferę bez dokładnej znajomości właściwości gwiazdy macierzystej i tego, jak zmieniają się one w czasie – wyjaśnił Charles Cadieux, doktorant w Trottier Institute for Research on Exoplanets (IREx), który przyczynił się do badania.
Ta nowa technika daje nam nieocenione narzędzia do upewnienia się, że nasza wiedza o egzoplanetach jest solidna, a także rozwijania charakterystyki ich własności.
Niezrównana precyzja
Temperatura powierzchni gwizdy jest podstawową właściwością, na której opierają się astronomowie, ponieważ może ona być wykorzystana do określenia jasności i składu chemicznego gwiazdy. W najlepszym przypadku, dokładna temperatura gwiazdy może być znana z dokładnością do około 20 stopni Celsjusza.
Nowa technika nie mierzy jednak dokładnej temperatury, ale jej zmiany w czasie, które można określić z niezwykłą precyzją.
Nie możemy stwierdzić, czy gwiazda ma 5000 czy 520 stopni Celsjusza, ale możemy określić, czy wzrosła lub spadła o stopień, a nawet ułamek stopnia – nikt nigdy wcześniej tego nie zrobił – powiedział Artigau.
Wykrycie tak niewielkich zmian temperatury w ludzkim ciele jest wyzwaniem, więc wyobraź sobie, jak to jest w przypadku gazowej kuli o temperaturze rzędu tysięcy stopni, znajdującej się dziesiątki lat świetlnych od nas!
Bezprecedensowy wgląd w cztery gwiazdy
Aby zademonstrować, że ich technika działa, naukowcy wykorzystali obserwacje wykonane za pomocą spektrografu SPIRou na teleskopie Kanadyjsko-Francusko-Hawajskim i spektrografu HARPS na 3,6-metrowym teleskopie ESO.
W danych zarejestrowanych przez te dwa teleskopy dla czterech małych gwiazd w tym samym sąsiedztwie Słońca, zespół mógł wyraźnie zaobserwować zmiany temperatury, które przypisali albo rotacji gwiazdy, albo zdarzeniom na jej powierzchni lub w otaczającym ją środowisku.
Nowa technika umożliwiła pomiar dużych zmian temperatury. W przypadku gwiazdy AU Microscopii, znanej z wysokiej aktywności gwiazdowej, zespół zarejestrował zmiany o prawie 40 stopni Celsjusza.
Dzięki tej technice byli w stanie zmierzyć nie tylko bardzo szybkie zmiany temperatury związane z krótkimi okresami rotacji wynoszącymi kilka dni, takimi jak te u AU Microscopii i Epsilon Eridani, ale także te występujące w znacznie dłuższych okresach czasu, co jest trudnym wyczynem dla teleskopów naziemnych.
Byliśmy w stanie zmierzyć zmiany rzędu kilka stopni lub mniej występujące w bardzo długich okresach, takie jak te związane z rotacją Gwiazdy Barnarda, bardzo spokojnej gwiazdy, która potrzebuje pięciu miesięcy, aby wykonać pełny obrót – wyjaśnił Artigau. Wcześniej musieliśmy użyć Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby zmierzyć tak subtelne i powolne zmiany.
Nowa technika umożliwiła również wykrycie bardzo drobnych zmian temperatury na powierzchni gwiazd. Na przykład, zespół wykrył subtelne zmiany temperatury w gwieździe HD 189733 zbiegające się z orbitą jej egzoplanety HD 189733 b, olbrzymiej planety typu „gorącego jowisza”.
Otworzyły się nowe horyzonty
Naukowcy podkreślają, że technika ta działa nie tylko z SPIRou i HARPS, ale z każdym spektrografem działającym w zakresie widzialnym lub podczerwonym.
Innowacyjna technika będzie miała bezpośrednie zastosowanie do obserwacji z NIRPS, spektrografu zainstalowanego w zeszłym roku na teleskopie ESO w Chile. Według naukowców możliwe byłoby również zastosowanie tej techniki w instrumentach kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Moc i wszechstronność tej techniki oznacza, że możemy wykorzystać istniejące dane z wielu obserwatoriów do wykrycia zmian, które wcześniej były zbyt małe, aby je dostrzec, nawet w bardzo długich skalach czasowych – powiedział Artigau.
Otwiera to nowe horyzonty w naszych badaniach gwiazd, ich aktywności i planet.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Université de Montréal
