TESS ontrafelt Delta Scuti sterren

Artist impression Delta Scuti ster
Artist impression van een Delta Scuti ster. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center.

Astronomen hebben met behulp van de Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) van de NASA pulsatiepatronen ontdekt in veranderlijke sterren van het Delta Scuti type. Dit is een grote groep veranderlijke sterren die een gemiddelde massa hebben. De ontdekking zal de mogelijkheden die astronomen hebben om details zoals leeftijden, groottes en samenstellingen van deze sterren gedetailleerd te bestuderen.

Delta Scuti sterren zijn jonge pulserende sterren met een massa tussen 1,5 en 2,5 zonsmassa. Ze zijn vernoemd naar de ster Delta Scuti. Deze ster is met het blote oog zichtbaar en bevindt zich in het sterrenbeeld Scutum – Schild. Dat Delta Scuti een veranderlijke ster is werd in 1900 ontdekt.

Sinds die ontdekking hebben astronomen duizenden sterren zoals Delta Scuti geïdentificeerd. Veel van die sterren zijn gevonden met behulp van de Kepler Space Telescope van de NASA.

Maar astronomen hebben problemen om de pulsaties van Delta Scuti sterren te begrijpen. Deze sterren draaien meestal in een of twee dagen om hun as en dat is minstens twaalf keer zo snel als onze Zon dat doet. Deze snelle rotatie zorgt ervoor dat de sterren aan de polen zijn afgevlakt en zorgt er ook voor dat de pulsaties een rommeltje zijn waardoor ze veel lastiger zijn te interpreteren.

Om de bepalen of er sprake is van een regelmaat in de schijnbare chaotische pulsaties van Delta Scuti sterren moesten de astronomen een grote groep sterren meerdere malen snel achter elkaar waarnemen.

Volgens professor Tim Bedding van de universiteit van Sydney en hoofdauteur van het artikel pulseren Delta Scuti sterren op een interessante manier maar lukte het niet om die pulsaties te begrijpen.

Om een muzikale analogie te gebruiken: veel sterren pulseren als eenvoudige akkoorden maar Delta Scuti sterren zijn complex, met noten die door elkaar lijken te lopen. TESS heeft astronomen laten zien dat dat niet voor alle Delta Scuti sterren geldt.

Bedding en zijn collega’s ontdekten in de data van TESS en Kepler een subset van Delta Scuti sterren met een regelmatig pulsatiepatroon.

De astronomen deden aanvullende waarnemingen met behulp van telescopen vanaf de grond. Ze  gebruikten daarvoor onder andere de W.M. Keck telescoop op Hawaï en twee grote telescopen van het Las Cambres Observatory.

In totaal vonden ze 60 Delta Scuti sterren met duidelijke pulsatiepatronen.

Volgens de onderzoekers is dit een grote doorbraak. Nu er series regelmatige pulsaties van deze sterren bekend zijn die men kan begrijpen kan men die vergelijken met modellen.

Het maakt het mogelijk om deze sterren met behulp van astroseismologie te meten op een manier die voorheen niet mogelijk was. Maar het is de onderzoekers ook duidelijk dat dit pas een eerste opstapje is in het volledig begrijpen van Delta Scuti sterren.

De pulsaties in de regelmatig pulserende Delta Scuti sterren zijn onder te verdelen in twee grote groepen die beiden worden veroorzaakt door energie die wordt opgeslagen en weer vrijkomt in de ster.

Sommigen vinden plaats als de hele ster symmetrisch expandeert en weer samentrekt. Anderen vinden plaats als tegenovergestelde halfronden achtereenvolgens uitzetten en weer samentrekken.

De onderzoekers leidden de veranderingen af door schommelingen in de helderheid van elke ster te bestuderen.

De gegevens hebben al geholpen bij het slechten van een debat over de leeftijd van een ster, HD 31901, een lid van een onlangs ontdekte stroom van sterren die in een baan binnen ons sterrenstelsel draaien.

Astronomen schatten de leeftijd van de gehele stroom sterren op ongeveer 1 miljard jaar en die schatting was gebaseerd op de leeftijd van een rode reus waarvan ze denken dat die tot de groep behoort. Een latere schatting, gebaseerd op de rotatieperiodes van andere leden van de stroom suggereerden een leeftijd van slechts 120 miljoen jaar.

De onderzoekers gebruikten de waarnemingen van TESS om een astroseismisch model van HD 31901 te maken en dat model ondersteunt de jongere leeftijd.

Ze denken dat hun set van 60 sterren een duidelijk patroon heeft omdat ze jonger zijn dan de andere Delta Scuti sterren. Het zijn namelijk sterren die net zijn begonnen om al hun energie door middel van kernfusie in hun kernen te maken.

In de jonge sterren vinden de pulsaties veel sneller plaats. Als de sterren ouder worden daalt de frequentie van de pulsaties en worden ze vermengd met andere signalen.

Een andere factor is misschien de hoek waaronder TESS de sterren kan bekijken. Theoretische berekeningen voorspellen dat de pulsatiepatronen van een draaiende ster eenvoudiger moeten zijn als de draaiende polen naar ons toe zijn gericht in plaats van de evenaar van de ster.

De dataset van TESS die de onderzoekers gebruikten bevat ongeveer 1000 Delta Scuti sterren en dat betekent dat sommige van hen toevallig met de polen naar ons toe moeten zijn gericht.

De onderzoekers blijven hun modellen ontwikkelen als TESS vanaf juli 2020 iedere tien minuten opnames gaat maken in plaats van ieder half uur. Deze nieuwe waarneemstrategie zal helpen om de pulsaties van nog meer Delta Scuti sterren zichtbaar te maken.

De astronomen wisten dat toen ze TESS ontwierpen ze, naast veel nieuwe exoplaneten te vinden, het instrument ook konden inzetten op het gebied van astroseismologie. TESS heeft inmiddels al een nieuw type ster gevonden dat alleen aan een zijde pulseert. Ook heeft de missie al nieuwe feiten over welbekende sterren gevonden. Terwijl de eerste twee jaar van de missie worden voltooid en er aan de uitgebreid emissie zal worden begonnen kijken astronomen uit naar de schat aan nieuwe stellaire ontdekkingen die TESS zal doen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Artikel: T.R. Bedding et al. 2020. Very regular high-frequency pulsation modes in young intermediate-mass stars. Nature 581, 147-151;

Eerste publicatie: 17 mei 2020
Bron: NASA