Konstnärens intryck av den röda superjätten Betelgeuse när den avslöjades med ESO:s Very Large Telescope. Den visar en kokande yta och material som stjärnan tappar när den åldras. Kredit:ESO/L.Calçada
Att göra en 3D-karta över vår galax skulle vara lättare om vissa stjärnor betedde sig tillräckligt länge för att vi skulle kunna beräkna avstånden till dem. Men röda superjättar är de pigga barnen på blocket när det gäller att fastställa deras exakta platser. Det beror på att de ser ut att dansa runt, vilket gör det svårt att hitta sin plats i rymden. Den wobblingen är en egenskap, inte en bugg, hos dessa massiva gamla stjärnor, och forskare vill förstå varför.
Så, som med andra utmanande objekt i galaxen, har astronomer vänt sig till datormodeller för att ta reda på varför. Dessutom använder de Gaia-uppdragets positionsmätningar för att få ett grepp om varför röda superjättar ser ut att dansa.
Förstå röda superjättar
Populationen av röda superjättar har flera gemensamma egenskaper. Dessa är stjärnor som är minst åtta gånger solens massa – de är enorma. En typisk sådan är minst 700 till 1 000 gånger soldiametern. Vid 3500 K är de mycket kallare än vår ~6000 K-stjärna, även om det är svårt att mäta dessa temperaturer. De är superljusa i infrarött ljus, men svagare i synligt ljus än andra stjärnor. De varierar också i sin ljusstyrka, vilket (för vissa av dem) kan vara relaterat till den dansande rörelsen. Mer om det om ett ögonblick.
Om solen var en röd superjätte, skulle jorden inte finnas där. Det beror på att stjärnans atmosfär skulle ha nått ut till Mars och svalt vår planet. De mest kända exemplen på dessa stjärnor är Betelgeuse och Antares. Röda superjättar finns i hela galaxen. Det finns en population av dem som du kan se på natten i ett närliggande kluster som heter Chi Persei. Det är en del av det välkända dubbelklustret.
Röda superjättars struktur
Så vi har den här populationen av stjärnor som inte beter sig som förväntat och som inte lämpar sig för enkla mätningar. Varför är det så? De har expanderat så mycket att de slutar med en mycket låg ytgravitation. På grund av det blir deras konvektiva celler (de strukturer som bär värme från insidan till ytan) ganska stora. En cell täcker så mycket som 20–30 % av stjärnans radie. Det "avbryter" faktiskt stjärnans ljusstyrka.
Konvektionen flyttar inte bara värme inifrån och ut, utan hjälper också stjärnan att skjuta ut material i närliggande rymden. Och, vi pratar inte heller små puffar av gas och plasma. En röd superjätte kan skicka en miljard gånger mer massa till rymden än vad solen gör. All den action får stjärnan att se skummande ut och som om dess yta kokar galet. I grund och botten gör det att stjärnans position ser ut att dansa på himlen.
Röda superjättar i det stora hela
Rött superjättematerial blir en del av det kemiska "inventariet" av galaxer. De element som dessa stjärnor skapar fortsätter att bli nya stjärnor och världar. Så det hjälper att få en bra förståelse för hur dessa stjärnor förlorar sin massa under hela livet. Allt är en del av att förstå stjärnutvecklingen i Vintergatan och dess inverkan på den kosmiska miljön. Det är därför astronomer vill spåra den totala massan som dessa åldrande stjärnor blåser ut i rymden. De mäter också stjärnvindens hastighet och beräknar geometrin för molnet av "stjärnsaker" som omsluter en röd superjätte.
Nu, vad har detta att göra med danshandlingen? Tja, kokningen av konvektionscellerna och uppbyggnaden av ett skal av material runt stjärnan bidrar till dess variation. Det vill säga, det påverkar dess ljusstyrka över tiden.
Ett sätt som astronomer använder för att bestämma en stjärnas exakta position är att använda dess "fotocentrum". Det är stjärnans ljuscentrum. Om stjärnan varierar i ljusstyrka (av någon anledning) förskjuts det fotocentret. Det kommer inte att matcha barycenter. (Det är den gemensamma tyngdpunkten mellan stjärnan och resten av dess system. Det är en komponent i avståndsmätningar.) I huvudsak varierar fotocentrum när stjärnans ljusstyrka ändras. I kombination med de enorma konvektionscellerna verkar stjärnan dansa i rymden.
Dansen ändrar avståndsberäkningen
Den röda superjättens "positionsproblem" lockade Andrea Chiavassa (Laboratoire Lagrange, Exzellenzcluster ORIGINS och Max Planck Institute for Astrophysics). Hon och astronomen Rolf Kudritzki (München University of Observatory och Institute of Hawai'i) och ett forskarteam skapade simuleringar av de kokande ytorna och variationen i den röda superjättens ljusstyrka.
"De syntetiska kartorna visar extremt oregelbundna ytor, där de största strukturerna utvecklas på tidsskalor på månader eller till och med år, medan mindre strukturer utvecklas under flera veckor", säger Chiavassa. "Detta betyder att stjärnans position förväntas förändras som en funktion av tiden."
I deras Astronomy &Astrophysics studien jämförde teamet sin modell med stjärnor i Chi Persei. Det klustret mättes av Gaia-satelliten, så positionerna för de flesta av dess stjärnor är mycket exakta. Tja, alla utom de röda superjättarna. "Vi fann att positionsosäkerheten för röda superjättar är mycket större än för andra stjärnor. Detta bekräftar att deras ytstrukturer förändras dramatiskt med tiden som förutspåtts av våra beräkningar", förklarade Kudritzki.
Denna förändring i observerbar position ger en lösning för att förstå de skiftande positionerna för röda superjättar. Det i sin tur ger svårigheter att mäta exakta avstånd till många av dessa stjärnor. Den nuvarande modellen ger också ledtrådar till utvecklingen av dessa objekt. Men att veta vad som får stjärnorna att dansa erbjuder en väg till en lösning när man beräknar deras avstånd. Framtida modeller kommer att hjälpa astronomer att förfina dessa avstånd och ge mer insikt i vad som händer med dessa stjärnor när de åldras. + Utforska vidare
