Astronomer har kommit på en ny och förbättrad metod för att mäta massorna av miljoner ensamma stjärnor, speciellt de med planetsystem.

Att få exakta mätningar av hur mycket stjärnor väger spelar inte bara en avgörande roll för att förstå hur stjärnor föds, utvecklas och dör, men det är också viktigt för att bedöma den sanna naturen hos de tusentals exoplaneter som nu är kända för att kretsa runt de flesta andra stjärnor.

Metoden är skräddarsydd för Europeiska rymdorganisationens Gaia-uppdrag, som håller på att kartlägga Vintergatans galax i tre dimensioner, och NASA:s kommande Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), som är planerad att lanseras nästa år och kommer att undersöka 200, 000 ljusaste stjärnor på himlen söker främmande jordar.

"Vi har utvecklat en ny metod för att" väga "ensamma stjärnor, " sa Stevenson professor i fysik och astronomi Keivan Stassun, som styrde utvecklingen. "Först, vi använder det totala ljuset från stjärnan och dess parallax för att utläsa dess diameter. Nästa, vi analyserar hur ljuset från stjärnan flimrar, som ger oss ett mått på dess ytgravitation. Sedan kombinerar vi de två för att få stjärnans totala massa."

Stassun och hans kollegor — Enrico Corsaro från INAF-Osservatorio Astrofisico di Catania i Italien, Joshua Pepper från Leigh University och Scott Gaudi från Ohio State University - beskriva metoden och visa dess noggrannhet med 675 stjärnor med känd massa i en artikel med titeln "Empirical, exakta massor och radier av enstaka stjärnor med TESS och GAIA "accepterade för publicering i Astronomisk tidskrift .

Traditionellt, den mest exakta metoden för att bestämma massan av avlägsna stjärnor är att mäta banorna i dubbelstjärnsystem, kallas binärer. Newtons rörelselagar tillåter astronomer att beräkna massorna av båda stjärnorna genom att mäta deras banor med stor noggrannhet. Dock, färre än hälften av stjärnsystemen i galaxen är binära, och binärer utgör endast ungefär en femtedel av röda dvärgstjärnor som har blivit uppskattade jaktmarker för exoplaneter, så astronomer har kommit på en mängd andra metoder för att uppskatta massorna av ensamma stjärnor. Den fotometriska metoden som klassificerar stjärnor efter färg och ljusstyrka är den mest allmänna, men det är inte särskilt exakt. Asteroseismologi, som mäter ljusfluktuationer orsakade av ljudpulser som färdas genom en stjärnas inre, är mycket exakt men fungerar bara på flera tusen av de närmaste, ljusaste stjärnorna.

"Vår metod kan mäta massan av ett stort antal stjärnor med en noggrannhet på 10 till 25 procent. I de flesta fall, detta är mycket mer exakt än vad som är möjligt med andra tillgängliga metoder, och viktigast av allt kan den appliceras på solitära stjärnor så att vi inte är begränsade till binärer, " sa Stassun.

Tekniken är en förlängning av ett tillvägagångssätt som Stassun utvecklade för fyra år sedan med doktoranden Fabienne Bastien, som nu är biträdande professor vid Pennsylvania State University. Med hjälp av speciell datavisualiseringsprogramvara utvecklad av ett neuro-mångsidigt team av Vanderbilt-astronomer, Bastein upptäckte ett subtilt flimrande mönster i stjärnljus som innehåller värdefull information om en stjärnas ytvikt.

Förra året, Stassun och hans medarbetare utvecklade en empirisk metod för att bestämma diametern på stjärnor med hjälp av publicerade stjärnkatalogdata. Det handlar om att kombinera information om en stjärnas ljusstyrka och temperatur med Gaia Mission parallaxdata. (Parallaxeffekten är den skenbara förskjutningen av ett objekt som orsakas av en förändring av observatörens synvinkel.)

"Genom att sätta samman dessa två tekniker, vi har visat att vi kan uppskatta massan av stjärnor som katalogiserats av NASA:s Kepler-uppdrag med en noggrannhet på cirka 25 procent och vi uppskattar att den kommer att ge en noggrannhet på cirka 10 procent för de typer av stjärnor som TESS-uppdraget kommer att rikta in sig på, sa Stassun.

Att fastställa massan av en stjärna som har ett planetsystem är en kritisk faktor för att bestämma massan och storleken på planeterna som kretsar runt den. Ett fel på 100 procent i uppskattningen av massan av en stjärna, vilket är typiskt med den fotometriska metoden, kan resultera i ett fel på så mycket som 67 procent vid beräkning av massan på dess planeter. Detta motsvarar ungefär skillnaden mellan en Merkurius och en Jord. Så, det är oerhört viktigt för att korrekt bedöma naturen hos alla främmande världar som astronomer har börjat upptäcka under de senaste åren.