Εικόνες από το Hubble μερικών από τα πιο αμυδρά αστέρια του Γαλαξία

Πηγή: Πανεπιστήμιο RICE, 17 Αυγούστου 2006

Χρησιμοποιώντας το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble αστρονόμοι έχουν πάρει εικόνες μερικών από τα παλαιότερα και πιο αμυδρά αστέρια του Γαλαξία μας. Πήραν έτσι μια σπάνια εικόνα από δύο μυστήριους τύπους άστρων, ένα μικροσκοπικό άστρο (ερυθρός νάνος) που σιγοκαίει τα καύσιμα του και με μέγεθος λιγότερο από το ένα δέκατο του μεγέθους του ήλιου μας. Ο άλλος τύπος είναι ένα γιγάντιο άστρο (λευκός νάνος) που ακόμα και τώρα καίει τα εναπομένοντα καύσιμα του, πάνω από 10 δισεκατομμύρια έτη μετά από το θάνατο του.

Αλλά παρατηρώντας τα πρώτα πρώτα αστέρια του σύμπαντος αποκάλυψαν και το κλειδί για την πορεία ενός αστεριού. Έτσι, αστέρια που δεν έχουν αρκετή μάζα ποτέ δεν λάμπουν, πεθαίνοντας δισεκατομμύρια χρόνια πριν από το θάνατο των αντίστοιχων μεγαλύτερων άστρων.

Όμως οι αστρονόμοι δεν ήταν σε θέση ποτέ να μετρήσουν το ακριβές όριο της μάζας αυτής, επειδή τα ελαφρύτερα αστέρια που λάμπουν μπορούν απλά να είναι πάρα πολύ εξασθενημένα για να ανιχνευθούν.

Τώρα, οι νέες εικόνες από το Hubble δείχνουν για πρώτη φορά πόσο μεγάλο πρέπει να είναι ένα αστέρι για να αποφευχθεί η επικείμενη μοίρα του.

Υποβάλλοντας την έρευνα του στο περιοδικό Science, οι αστρονόμοι έχουν δημοσιεύσει εικόνες υψηλής ποιότητας μερικών από τα πιο εξασθενημένα αστέρια στο Γαλαξία μας, που βρίσκονται στο σφαιρωτό σμήνος NGC 6397.

Τα αστέρια σε αυτήν την εικόνα του Hubble, που μοιάζουν με ακτινοβολώντα κοσμήματα, στα αριστερά είναι μέρος του αρχαίου σφαιρωτού σμήνους αστεριών NGC 6397.  Η μικρή εικόνα κάτω δεξιά παρουσιάζει το πιο εξασθενημένο ερυθρό νάνο αστέρι (το κόκκινο σημείο μέσα στον κόκκινο κύκλο), όπως το βλέπει το Hubbleι. Η εικόνα στο ανώτερο δεξιό τμήμα επισημαίνει έναν αμυδρό λευκό αρχαίο νάνο (η μπλε κουκίδα μέσα στον μπλε κύκλο), όπως φαίνεται από το Hubble. 

"Αυτό το πρόγραμμα ώθησε στα όρια αυτά που μπορεί να κάνει το Hubble υπό κανονικές συνθήκες", είπε ο Jay Anderson ένας ερευνητικός επιστήμονας στο πανεπιστήμιο Rice. "Αυτά τα αστέρια δεν μπορούν να ανιχνευθούν σε μια μόνο εικόνα. Πρέπει να συνδυάσετε έναν μεγάλο αριθμό εικόνων για να τα βρείτε."

Άστρα στα σφαιρωτά σμήνη

Η ερευνητική ομάδα εκπαίδευσε τις φωτογραφικές μηχανές του Hubble να τραβούν εικόνες στο ίδιο τμήμα του ουρανού για περισσότερες από 75 ώρες, συλλέγοντας έτσι 378 εικόνες. Ο στόχος ήταν μια περιοχή του διαστήματος που περιέχει περίπου το 1% του σφαιρωτού σμήνους NGC 6397, μια συλλογή αστεριών που σχηματίστηκε νωρίς στην ιστορία του Γαλαξία μας.

"Όταν βλέπουμε τυχαία αστέρια στον ουρανό έχουν διάφορες ηλικίες, αλλά τα σφαιρωτά σμήνη προσφέρουν μοναδικές ευκαιρίες στους αστρονόμους να μελετήσουν έναν πληθυσμό αστεριών που είναι όλα στην ίδια ηλικία. Όλα τα αστέρια που βλέπουμε στα σμήνη είναι αρχαία, επειδή δημιουργήθηκαν όταν σχηματιζόταν ο Γαλαξίας. Είναι απολιθώματα από τις πρώτες ημέρες του Γαλαξία.", συνέχισε ο Anderson.

Υπάρχουν περίπου 150 σφαιρωτά σμήνη στο Γαλαξία μας, και τα περισσότερα περιέχουν μεταξύ 100.000 και 1 εκατομμύριο άστρα. Ενώ τα περισσότερα από τα αστέρια του Γαλαξία συμπεριλαμβανομένου και του ήλιου μας στρέφονται γύρω από κέντρο του Γαλαξία στο επίπεδο ου Γαλαξία μας, τα σφαιρωτά σμήνη προηγούνται χρονικώς στην εξομάλυνση του Γαλαξία, κι έτσι είναι διεσπαρμένα σε μια πιο σφαιρική κατανομή.

Το NGC 6397 είναι ένα από τα κοντινότερα σμήνη προς τη Γη, τοποθετημένο ακριβώς 8.500 έτη φωτός μακριά. Αλλά ακόμη και σε αυτήν την σχετικά μικρή αστρονομική απόσταση, το φως από τα πιο εξασθενημένα αστέρια του NGC 6397 χάνεται εύκολα στο έντονο φως από τα γειτονικά φωτεινότερα αστέρια του.

Το φως από αυτά τα εξασθενημένα αστέρια είναι τόσο αμυδρό, που είναι ισοδύναμο με αυτό που παράγεται από ένα κερί πάνω στο φεγγάρι όπως αυτό φαίνεται από τη Γη. Αυτό ανέφερε ο επικεφαλής συντάκτης της έρευνας Harvey Richer, από το πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολούμπιας στο Βανκούβερ του Καναδά.

Για να ερευνήσουν τα πιο αμυδρά αντικείμενα, ο Άντερσον και οι συνάδελφοι του στηρίχθηκαν στους υπολογιστές. Ο Άντερσον, η ειδικότητα του οποίου είναι ο προγραμματισμός για να ψάχνει μέσα στα αστρονομικά στοιχεία, ξόδεψε μήνες για να γράψει το λογισμικό που θα μπορούσε να εξετάσει κάθε εικόνα του Hubble, πίξελ προς πίξελ, για να βρει τα πιο εξασθενημένα αστέρια.

Οι δύο τύποι αντικειμένων της εικόνας αντιπροσωπεύουν το βαρύ και το ελαφρύ άκρο της περιοχής, μέσα στην οποία κυμαίνεται η μάζα των δύο άστρων.

Αν και το τηλεσκόπιο θα έπρεπε να ήταν σε θέση να ανιχνεύσει πιο εξασθενημένα αστέρια, κανένα δεν μπορούσε να βρεθεί - έτσι φαινότανε απλά ότι δεν υπάρχουν. "Ελέγξαμε τα όργανα επανειλημμένως", είπε ο καθηγητής Richer, "αλλά δεν μπορούσαμε να δούμε κανένα αστέρι πιο εξασθενημένο από αυτό."

Υπολογίζοντας τη μάζα από τα πιο αρχαία και εξασθενημένα άστρα, οι ερευνητές μπορούν να βρουν την ελάχιστη μάζα που απαιτείται για να επιζήσει ένα αστέρι. Πιθανώς αστέρια που η μάζα τους είναι λίγο πιο κάτω από το όριο αυτό, πεθαίνουν προτού ακόμη να γεννηθούν.

Επιβίωση του πιο μεγάλου άστρου

Σχεδόν το καθετί σχετικά με τη μοίρα ενός άστρου καθορίζεται από τη μάζα του νέφους του αερίου από το οποίο σχηματίζεται.

Η βαρύτητα έλκει το αέριο σε μια γιγαντιαία σφαίρα, ή πρωτοαστέρας. Καθώς η σφαίρα γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη και πυκνότερη, το κέντρο της γίνεται εξαιρετικά καυτό, γιατί στο κέντρο αρχίζουν πυρηνικές συντήξεις. Για τους μεγάλους πρωταστέρες, η θερμότητα γίνεται τόσο έντονη που το αστέρι αρχίζει να καίει το υδρογόνο με τη σύντηξη, και έτσι ξεκινά να λάμπει.

Μέσα στο μπλε κύκλο είναι ο αρχαίος ψυχρός λευκός νάνος

Τα μικρά πρωταστέρες ποτέ δεν έχουν την ευκαιρία να λάμψουν έντονα καίγοντας το υδρογόνο τους. Οι πυρήνες τους δεν είναι αρκετά καυτοί για την τήξη του υδρογόνου, κι έτσι δεν 'ανάβουν' ποτέ. Σταματούν γρήγορα να συστέλλονται και εξασθενίζουν προς καφέ νάνους, που είναι λίγο μικρότεροι από τους γιγαντιαίους πλανήτες αερίου.

Έτσι, μια μικρή διαφορά στη μάζα ενός πρωτοαστέρα μπορεί επομένως να κάνει τη διαφορά μεταξύ μιας μακράς ζωής και ενός πρόωρου θανάτου.

Αλλά πόσο μεγάλο είναι το αρκετά μεγάλο; Το πρόβλημα είναι ότι αυτά τα αστέρια που αρχίζουν να λάμπουν - αλλά έχουν λίγη περισσότερη μάζα από το όριο - λάμπουν πολύ ασθενώς και είναι σχεδόν αδύνατον να τα δούμε.

Οι αναμενόμενες από καιρό νέες εικόνες βάζουν τελικά αυτήν την ερώτηση στο περιθώριο, λένε οι συντάκτες. Τα πιο αμυδρά αστέρια μετρήθηκαν και βρέθηκαν το 8,3% της μάζας του ήλιου. Όλοι οι πρωταστέρες που είναι μικρότερο από αυτό το μέγεθος κατευθύνονται για να ζήσουν ως καφέ νάνοι.

Θάνατος του άστρου

Η εικόνα επίσης μας δίνει ένα νέο όριο της ζωής ενός άστρου

Τα μεγάλα άστρα, που καίνε πιο γρήγορα τα καύσιμα τους, μπορούν να γίνουν λευκοί νάνοι - που καίνε σαν τη χόβολη και εξασθενίζουν αργά με τον χρόνο. Οι αστρονόμοι είχαν προβλέψει ότι αυτοί πρέπει να γίνονται μπλε καθώς κινούνται προς το θάνατο.

Τα νέα συμπεράσματα δίνουν τις πρώτες εικόνες αυτής της υπογραφής της αλλαγής του χρώματος, επιβεβαιώνοντας τις προσδοκίες.

Ο Άντερσον είπε ότι ενώ οι πιο φωτεινοί και επομένως νεώτεροι λευκοί νάνοι έχουν παρουσιαστεί σε πολλά σμήνη, η νέα έρευνα παρήγαγε τις πρώτες εικόνες των πιο εξασθενημένων και παλαιότερων λευκών νάνων σε ένα αρχαίο σμήνος. Η φωτεινότητα των λευκών νάνων σε αυτό το άκρο της κλίμακας μπορεί να βοηθήσει τους αστρονόμους να ανακαλύψουν πόσος χρόνος πέρασε που τα αστέρια άρχισαν να ψύχονται. Από αυτόν, μπορούν καλύτερα να καθορίσουν την ηλικία του σμήνους, και μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στις εκτιμήσεις για το χαμηλότερο όριο της ηλικίας του σύμπαντος. 

Η ηλικία των παλαιότερων λευκών νάνων

Ένα αστέρι που χαρακτηρίζεται λευκός νάνος, είναι ένα αντικείμενο που είναι περίπου τόσο βαρύ όσο ο ήλιος, αλλά η ακτίνα του είναι αυτή της Γης. Έτσι η μέση πυκνότητα ενός λευκού νάνου είναι εκατομμύρια φορές πυκνότερη από το νερό. Οι λευκοί νάνοι-αστέρες διαμορφώνονται στους πυρήνες των ερυθρών γιγάντων αστεριών, αλλά δεν είναι ορατοί έως ότου εκτιναχθεί το περίβλημα του κόκκινου γίγαντα στο διάστημα.

Όταν αυτό συμβεί η υπεριώδης ακτινοβολία από τον πολύ καυτό αστρικό πυρήνα, ιονίζει το αέριο που το περιβάλλει και παράγει ένα πλανητικό νεφέλωμα. Το περίβλημα του αστεριού συνεχίζει να απομακρύνεται από τον κεντρικό πυρήνα, και τελικά το πλανητικό νεφέλωμα εξασθενίζει στην αορατότητα, αφήνοντας μόνο του αυτόν τον πολύ καυτό πυρήνα που είναι τώρα ένας λευκός νάνος. Οι λευκοί νάνοι καίγονται ακριβώς από την υπόλοιπη θερμότητα.

Οι παλαιότεροι λευκοί νάνοι θα είναι οι πιο ψυχροί και συγχρόνως θα είναι οι πιο εξασθενημένοι. Με την έρευνα για τους εξασθενημένους λευκούς νάνους, κάποιος μπορεί να υπολογίσει το χρονικό διάστημα που οι παλαιότεροι λευκοί νάνοι έχουν ψυχθεί. Ο Oswalt το 1996 υπολόγισε ότι ο δίσκος του Γαλαξία μας ήταν 9.5+1.1-0.8 δισ. έτη. Υπολογίζουν έτσι μια ηλικία για το σύμπαν, που είναι τουλάχιστον 2 δισ. έτη παλαιότερος από το δίσκο. Τελικά η ηλικία του σύμπαντος βρίσκεται με αυτόν τον τρόπο t _ο > 11,5 δισ. έτη.

Λεξιλόγιο

Λευκός νάνος: Η τελευταία φάση της εξέλιξης ενός αστέρα μικρής μάζας με μέγεθος όπως του ήλιου. Μετά την πυρηνική καύση του ηλίου στο εσωτερικό των αστέρων της κατηγορίας αυτής, ακολουθεί βαρυτική κατάρρευση. Η κατάρρευση τελικά εξισορροπείται από την πίεση που ασκεί το υπερσυμπιεσμένο αέριο των ηλεκτρονίων του πυρήνα του αστέρα. Ο αστέρας δεν περνάει από τη φάση της πυρηνικής καύσης του άνθρακα. Έτσι ένας λευκός νάνος αποτελείται κυρίως από άνθρακα. Η πυκνότητα της ύλης σε ένα λευκό νάνο είναι πολύ μεγάλη (~10⁹Kg/m³) και το μέγεθός του όσο περίπου της Γης. Στο εσωτερικό του δεν πραγματοποιούνται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Η ακτινοβολία που εκπέμπει οφείλεται στη θερμική του ενέργεια.

Αστρικά σμήνη: Ομάδες αστέρων οι οποίοι αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με αρκετά ισχυρές βαρυτικές έλξεις, λόγω των μικρών αποστάσεων που τους χωρίζουν. Οι αστέρες ενός σμήνους έχουν παρόμοια σύσταση και ηλικία, γιατι σχηματίστηκαν την ίδια χρονική περίοδο από το ίδιο νεφέλωμα. Διακρίνονται σε ανοικτά και σε σφαιρωτά.