Seit mehr als 400 Jahren haben sowohl professionelle als auch Amateurastronomen ein besonderes Interesse daran, Mira-Sterne zu beobachten, eine Klasse variabler roter Riesen, die für Pulsationen bekannt sind, die 80 bis 1000 Tage andauern und deren scheinbare Helligkeit um den Faktor zehn variieren oder mehr während eines Zyklus.
Ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung von Guy Perrin vom Pariser Observatorium / LESIA (Meudon, Frankreich) und Stephen Ridgway vom Nationalen Observatorium für optische Astronomie (Tucson, Arizona, USA) hat interferometrische Techniken verwendet, um die nahe Umgebung von fünf Mira-Sternen zu beobachten. und waren überrascht festzustellen, dass die Sterne von einer nahezu transparenten Hülle aus Wasserdampf und möglicherweise Kohlenmonoxid und anderen Molekülen umgeben sind. Diese Schale verleiht den Sternen eine täuschend große scheinbare Größe. Durch das Durchdringen dieser Schicht mit dem kombinierten Licht mehrerer Teleskope stellte das Team fest, dass Mira-Sterne wahrscheinlich nur halb so groß sind, wie früher angenommen.
"Diese Entdeckung löst nörgelnde Inkonsistenzen zwischen Beobachtungen der Größe von Mira-Sternen und Modellen, die ihre Zusammensetzung und Pulsationen beschreiben und nun allgemein übereinstimmen." Ridgway erklärt. "Das überarbeitete Bild ist, dass Mira-Sterne sehr leuchtende, aber relativ normale Sterne des asymptotischen Riesenastes sind, aber eine Resonanzpulsation haben, die ihre große Variabilität antreibt."
Mira-Sterne sind besonders interessant, da sie ähnlich groß wie die Sonne sind und sich in einem späten Stadium des gleichen Entwicklungspfades befinden, den alle Ein-Sonnen-Massensterne, einschließlich der Sonne, erfahren werden. Daher veranschaulichen diese Sterne das Schicksal unserer Sonne in fünf Milliarden Jahren. Wenn sich ein solcher Stern, einschließlich seiner umgebenden Hülle, an der Position der Sonne in unserem Sonnensystem befinden würde, würde sich seine dampfförmige Hülle über die Umlaufbahn des Mars hinaus erstrecken.
Obwohl sie einen sehr großen Durchmesser haben (bis zu einigen hundert Sonnenradien), sind rote Riesensterne für menschliche Augen auf der Erde punktförmig, und selbst die größten Teleskope können ihre Oberflächen nicht unterscheiden. Diese Herausforderung kann überwunden werden, indem Signale von separaten Teleskopen mithilfe einer als astronomische Interferometrie bezeichneten Technik kombiniert werden, mit der sehr kleine Details in der näheren Umgebung von Mira-Sternen untersucht werden können. Letztendlich können Bilder der beobachteten Sterne rekonstruiert werden.
Mira-Sterne sind nach dem ersten bekannten Objekt, Mira (oder Omicron Ceti), benannt. Eine mögliche Erklärung für ihre signifikante Variabilität ist, dass während jedes Zyklus große Mengen an Material, einschließlich Staub und Molekülen, erzeugt werden. Dieses Material blockiert einen Großteil der ausgehenden Sternstrahlung, bis das Material durch Expansion verdünnt wird. Die nahe Umgebung von Mira-Sternen ist daher sehr komplex und die Eigenschaften des zentralen Objekts sind schwer zu beobachten.
Um die nahe Umgebung dieser Sterne zu untersuchen, führte das von Perrin und Ridgway geleitete Team Beobachtungen am Infrarot-Optischen Teleskop-Array (IOTA) des Smithsonian Astrophysical Observatory in Arizona durch. IOTA ist ein Michelson-Sterninterferometer mit zwei Armen, die eine L-förmige Anordnung bilden. Es arbeitet mit drei Kollektoren, die sich an verschiedenen Stationen an jedem Arm befinden können. In der vorliegenden Studie wurden Beobachtungen bei mehreren Wellenlängen unter Verwendung unterschiedlicher Teleskopabstände im Bereich von 10 bis 38 Metern durchgeführt.
Aus diesen Beobachtungen konnte das Team die Variation der Sternhelligkeit über die Oberfläche jedes Sterns rekonstruieren. Details bis zu etwa 10 Millibogensekunden können erkannt werden. Zum Vergleich: In der Entfernung des Mondes würde dies dem Sehen von Merkmalen bis zu einer Größe von 20 Metern entsprechen.
Die Beobachtungen wurden bei Wellenlängen im nahen Infrarot gemacht, die für die Untersuchung von Wasserdampf und Kohlenmonoxid von besonderem Interesse sind. Die Rolle dieser Moleküle wurde vor einigen Jahren vom Team vermutet und durch Beobachtungen mit dem Infrared Space Observatory unabhängig bestätigt. Die neuen Beobachtungen mit IOTA zeigen deutlich, dass Mira-Sterne von einer molekularen Schicht aus Wasserdampf und zumindest in einigen Fällen aus Kohlenmonoxid umgeben sind. Diese Schicht hat eine Temperatur von ungefähr 2.000 K und erstreckt sich bis zu ungefähr einem Sternradius über der Sternphotosphäre oder ungefähr 50 Prozent des beobachteten Durchmessers der Mira-Sterne in der Probe.
Frühere interferometrische Untersuchungen von Mira-Sternen führten zu Schätzungen von Sterndurchmessern, die durch das Vorhandensein der molekularen Schicht verzerrt und daher stark überschätzt wurden. Dieses neue Ergebnis zeigt, dass die Mira-Sterne etwa halb so groß sind wie bisher angenommen.
Die neuen Beobachtungen des Teams werden im Rahmen eines Modells interpretiert, das die Lücke zwischen Beobachtungen und Theorie schließt. Der Raum zwischen der Oberfläche des Sterns und der molekularen Schicht enthält sehr wahrscheinlich Gas wie eine Atmosphäre, ist jedoch bei den beobachteten Wellenlängen relativ transparent. Im sichtbaren Licht ist die molekulare Schicht ziemlich undurchsichtig, was den Eindruck erweckt, dass es sich um eine Oberfläche handelt, im Infrarot ist sie jedoch dünn und der Stern kann durch sie hindurch gesehen werden.
Dieses Modell ist das erste, das die Struktur von Mira-Sternen über einen weiten Bereich spektraler Wellenlängen vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot erklärt und mit den theoretischen Eigenschaften ihrer Pulsation übereinstimmt. Das Vorhandensein der Molekülschicht weit über der Sternoberfläche ist jedoch immer noch etwas mysteriös. Die Schicht ist zu hoch und dicht, um nur durch atmosphärischen Druck unterstützt zu werden. Die Pulsationen des Sterns spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der Erzeugung der molekularen Schicht, aber der Mechanismus ist noch nicht verstanden.
Da Mira-Sterne ein spätes Evolutionsstadium sonnenähnlicher Sterne darstellen, wird es sehr interessant sein, die Prozesse in und um sie herum besser zu beschreiben, als ein Hinweis auf das erwartete Schicksal der Sonne in ferner Zukunft. Mira-Sterne stoßen große Mengen an Gas und Staub in den Weltraum aus, typischerweise etwa ein Drittel der Erdmasse pro Jahr, und liefern so mehr als 75 Prozent der Moleküle in der Galaxie. Der Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und andere Elemente, aus denen wir bestehen, wurden größtenteils im Inneren solcher Sterne hergestellt (wobei schwerere Elemente aus Supernovae stammen) und werden dann über diesen Massenverlust in den Weltraum zurückgeführt, um Teil neuer Sterne und Planeten zu werden . Die Reifungstechnik der Interferometrie enthüllt Details der Mira-Atmosphäre und bringt Wissenschaftler nahe daran, die Produktion und den Ausstoß von Molekülen und Staub zu beobachten und zu verstehen, da diese Sterne ihren Inhalt im astronomischen Maßstab wiedergeben.
Das Papier "Enthüllung von Mira-Sternen hinter den Molekülen: Bestätigung des Molekülschichtmodells mit schmalbandiger Nahinfrarot-Interferometrie" von Perrin et al., erscheint in einer kommenden Ausgabe der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.
Ursprüngliche Quelle: NOAO-Pressemitteilung
