Asteroider hjælper videnskabsmænd med at måle fjerne stjerner

Kig op mod himlen på en klar nat, og du vil se mange stjerner. Nogle gange virker de næsten inden for rækkevidde eller i det mindste en kort rakettur. Men den nærmeste stjerne på Jorden – vores sol ikke medregnet – er mere end fire lysår væk, i en afstand af 25 billioner miles.

Der er mere end 100 milliarder stjerner i vores Mælkevejsgalakse, og, mens vi har lært meget om dem, der er relativt få, hvis størrelse er blevet direkte målt, fordi de er så langt væk. En stjernes størrelse er en vigtig information, der låser op for mange andre mysterier om den. Flere metoder er blevet brugt til at måle stjernestørrelser, alligevel har hver deres begrænsninger.

Men nu et internationalt hold, herunder forskere fra University of Delaware, har opdaget en ny måde at bestemme størrelsen på stjerner. Deres metode trækker på de unikke muligheder i Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ved Fred Lawrence Whipple Observatory i Arizona – og asteroider, der passerer forbi på det helt rigtige sted og tidspunkt.

Ved at bruge teknikken, et samarbejde mellem 23 universiteter og forskningsinstitutter, ledet af Tarek Hassan fra Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) og Michael Daniel fra Smithsonian Astrophysical Observatory, har afsløret diameteren af ​​en kæmpe stjerne 2, 674 lysår væk, og en sollignende stjerne i en afstand af 700 lysår - den mindste stjerne, der til dato er målt på nattehimlen. Undersøgelsen blev rapporteret mandag, 15. april i journalen Natur astronomi .

Større en stjerne

"At kende størrelsen af ​​en stjerne er af overordnet betydning, " sagde Jamie Holder, lektor i UD's Institut for Fysik og Astronomi og medforfatter til undersøgelsen. "Hvor stor og hvor varm en stjerne er fortæller dig, hvordan den blev født, hvor længe vil den skinne, og hvordan den til sidst vil dø."

Alligevel er næsten enhver stjerne på himlen for langt væk til at blive målt nøjagtigt af selv de bedste optiske teleskoper.

"Du kan bare ikke løse det punktlignende billede af en stjerne, " sagde Holder. "Det vil se sløret ud gennem dit teleskop."

For at overvinde denne begrænsning, forskere bruger et optisk fænomen kaldet diffraktion til at måle en stjernes diameter. Når et objekt passerer foran en stjerne, en begivenhed kaldet en "okkultation, " skyggen og det omgivende mønster af lysbølger kan bruges til at beregne stjernens størrelse.

I denne pilotundersøgelse, objektet, der passerede foran stjernen, var en asteroide – en smule rumbrokker, der sandsynligvis er tilbage fra planeterne, da planeterne blev dannet for omkring 4,6 milliarder år siden.

Asteroider rejser med en gennemsnitshastighed på 15 miles per sekund, hvilket tilføjede holdets udfordring. Normalt, VERITAS-teleskoperne holder øje med det svage blålige blip, som højenergiske kosmiske partikler og gammastråler producerer, når de ræser gennem Jordens atmosfære. Selvom teleskoperne ikke producerer de bedste optiske billeder, de er ekstremt følsomme over for hurtige variationer af lys, inklusive stjernelys, takket være deres enorme spejlede overflade, segmenteret i sekskanter som et flueøje. Holder var involveret i konstruktionen og idriftsættelsen af ​​teleskoperne i 2006, og alle lyssensormodulerne til de fire teleskoper blev samlet på UD.

UD ph.d.-studerende gør banebrydende observationer

Ved at bruge de fire store VERITAS-teleskoper den 22. feb. 2018, holdet kunne tydeligt opdage diffraktionsmønsteret af stjernen TYC 5517-227-1, da den 60 kilometer lange asteroide Imprintetta passerede. UD ph.d.-studerende Tyler Williamson var der til observationen.

"Det var vores første gang, vi udførte denne form for måling, så vi sørgede for at give os god tid til at sætte os op og følge proceduren nøjagtigt, " sagde Williamson, som var en af ​​tre videnskabsmænd på skiftet den nat. "Selve okkultationen tager kun et par sekunder, men vi peger teleskopet mod stjernen i cirka 15 minutter eller deromkring for at få et skøn over, hvordan det ser ud før og efter begivenheden. Hvis du vil opdage en skygge, du skal vide, hvordan objektet ser ud uden at noget blokerer det."

Som regel, når besætningen tager data, en computer giver dem et realtidsbillede af, hvad de indsamler, når det kommer ind. Men der var ingen måde for dem at se denne okkultation forekomme. De skulle simpelthen pege med teleskopet og vente.

"Ingen var sikker på, at okkultationen overhovedet ville være synlig fra vores placering i første omgang, " sagde han. "Det seneste skøn, vi havde på vej ind i natten, var, at der var omkring 50 procent chance for, at skyggen ville blive kastet over vores observatorium - asteroiden er lille, og der var usikkerheder i størrelse og bane, 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, og, 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."