Titta upp mot himlen en klar natt, och du kommer att se massor av stjärnor. Ibland verkar de nästan inom räckhåll eller åtminstone en kort rakettur. Men den stjärna som ligger närmast jorden – utan att räkna vår sol – är mer än fyra ljusår bort, på ett avstånd av 25 biljoner mil.

Det finns mer än 100 miljarder stjärnor i vår Vintergatans galax, och, samtidigt som vi har lärt oss mycket om dem, det är relativt få vars storlek har mätts direkt eftersom de är så långt borta. En stjärnas storlek är en viktig del av information som låser upp många andra mysterier om den. Flera metoder har använts för att mäta stjärnstorlekar, men var och en har sina begränsningar.

Men nu ett internationellt lag, inklusive forskare från University of Delaware, har upptäckt ett nytt sätt att bestämma storleken på stjärnor. Deras metod bygger på de unika egenskaperna hos Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) vid Fred Lawrence Whipple Observatory i Arizona – och asteroider som passerar vid precis rätt plats och tid.

Med hjälp av tekniken, ett samarbete mellan 23 universitet och forskningsinstitut, ledd av Tarek Hassan från Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) och Michael Daniel från Smithsonian Astrophysical Observatory, har avslöjat diametern på en jättestjärna 2, 674 ljusår bort, och en solliknande stjärna på ett avstånd av 700 ljusår – den minsta stjärnan som hittills uppmätts på natthimlen. Forskningen rapporterades i måndags, 15 april i journalen Natur astronomi .

Sätt upp en stjärna

"Att veta storleken på en stjärna är av övergripande betydelse, sa Jamie Holder, docent vid UD:s institution för fysik och astronomi och medförfattare till studien. "Hur stor och hur varm en stjärna är berättar hur den föddes, hur länge det kommer att lysa, och hur den till slut kommer att dö."

Ändå är nästan alla stjärnor på himlen för långt borta för att kunna mätas exakt med ens de bästa optiska teleskopen.

"Du kan bara inte lösa den punktliknande bilden av en stjärna, " sa Holder. "Det kommer att se flummigt ut genom ditt teleskop."

För att övervinna denna begränsning, forskare använder ett optiskt fenomen som kallas diffraktion för att mäta en stjärnas diameter. När ett föremål passerar framför en stjärna, en händelse som kallas en "ockultation, " skuggan och det omgivande mönstret av ljusvågor kan användas för att beräkna stjärnans storlek.

I denna pilotstudie, föremålet som passerade framför stjärnan var en asteroid – lite rymdstenar som troligen blev över från när planeterna bildades för cirka 4,6 miljarder år sedan.

Asteroider färdas med en medelhastighet på 15 miles per sekund, vilket bidrog till lagets utmaning. I vanliga fall, VERITAS-teleskopen ser efter den svaga blåaktiga känslan som kosmiska partiklar med hög energi och gammastrålar alstrar när de rasar genom jordens atmosfär. Även om teleskopen inte producerar de bästa optiska bilderna, de är extremt känsliga för snabba ljusvariationer, inklusive stjärnljus, tack vare deras enorma spegelyta, segmenterade i hexagoner som ett flugöga. Holder var involverad i konstruktionen och driftsättningen av teleskopen 2006, och alla ljussensormodulerna för de fyra teleskopen monterades på UD.

UD doktorand gör banbrytande iakttagelser

Med de fyra stora VERITAS-teleskopen den 22 februari, 2018, teamet kunde tydligt upptäcka diffraktionsmönstret för stjärnan TYC 5517-227-1 när den 60 kilometer långa asteroiden Imprintetta passerade. UD-doktoranden Tyler Williamson var där för observationen.

"Det var första gången vi utförde den här typen av mätning, så vi såg till att ge oss gott om tid att ställa in och följa proceduren exakt, sa Williamson, som var en av tre forskare på skiftet den natten. "Okultationen i sig tar bara några sekunder, men vi riktar teleskopet mot stjärnan i ungefär 15 minuter för att få en uppskattning av hur det ser ut före och efter händelsen. Om du vill upptäcka en skugga, du behöver veta hur föremålet ser ut utan att något blockerar det."

Vanligtvis, när besättningen tar data, en dator ger dem en realtidsvy av vad de samlar på när det kommer in. Men det fanns inget sätt för dem att se denna ockultation inträffa. De var helt enkelt tvungna att rikta teleskopet och vänta.

"Ingen var säker på att ockultationen ens skulle vara synlig från vår plats i första hand, " sade han. "Den senaste uppskattningen vi hade på väg in i natten var att det fanns ungefär 50 procents chans att skuggan skulle kastas över vårt observatorium - asteroiden är liten, och det fanns osäkerheter i storlek och bana, making it impossible to say for sure where the shadow would fall."

The crew took the data, emailed it to the principal investigators on the project, and called it a night.

"I remember waking up the following afternoon to an email from the PIs with a nice plot showing a clear detection of the shadow, " Williamson said. "We were all very excited, och, as observers, we were quite happy to be a part of the result."

The VERITAS telescopes allowed the team to take 300 snapshots every second. From these data, the brightness profile of the diffraction pattern could be reconstructed with high accuracy, resulting in an angular, or apparent, diameter of the star of 0.125 milliarcseconds. Together with its distance of 2, 674 light-years, the scientists determined that the star's true diameter is 11 times that of our sun, categorizing it as a red giant star.

According to Holder, this star is about 200 million times farther away from us than the sun, but it's still well within our Milky Way Galaxy, which is 100, 000 light years across.

The researchers repeated the feat three months later on May 22, 2018, when asteroid Penelope with a diameter of 88 kilometers occulted the star TYC 278-748-1. The measurements resulted in an angular size of 0.094 milliarcseconds and a true diameter of 2.17 times that of our sun—the smallest star ever measured directly.

But "small" is relative. "This star is a G dwarf, twice as big as our sun and about 700 times farther away from us than our closest star, " Holder said.

While the new technique delivers a ten times better resolution than the standard method astronomers have been using, based on lunar occultation, and is twice as sharp as size measurements using interferometric techniques, Holder said the team is working to refine it for even greater accuracy.

"Asteroids pass by Earth every day, " Holder said. "VERITAS is gearing up to increase its observations and extend its observation range, building data on a whole new population of stars."