Een team van Amerikaanse en Canadese astronomen onder leiding van Scott Engle en Edward Guinan van Villanova University heeft een verrassende nieuwe klasse van röntgenpulserende veranderlijke sterren ontdekt. Onderdeel van het Villanova Secret Lives of Cepheïden-programma, de nieuwe röntgenwaarnemingen, verkregen door NASA's Chandra X-ray Observatory en donderdag gepubliceerd, 23 maart in de Astrofysisch tijdschrift , onthullen dat het heldere prototype van klassieke cepheïden, d Cephei, is een periodieke gepulste röntgenbron.

Leden van het onderzoeksteam die deelden aan de ontdekking waren onder meer Graham Harper, Universiteit van Colorado; Nancy Remage Evans, Harvard Centrum voor Astrofysica; Manfred Kut, Universiteit van Texas, Arlington; en Hilding Neilson, Universiteit van Toronto.

De prototype-ster waarnaar alle Cepheïden zijn vernoemd, d Cephei (d Cep) is, op een afstand van 890 lichtjaar, ook een van de meest nabije in zijn soort. Cepheïden zijn een beroemde klasse van pulserende veranderlijke sterren en behoren tot de astronomisch meest belangrijke objecten in het heelal. Door de pulsatieperioden en helderheid van Cepheïden te meten, kunnen astrofysici afstanden tot andere sterrenstelsels meten en de extragalactische afstandsschaal kalibreren. Cepheïden spelen ook een steeds belangrijkere rol in de poging om de expansiesnelheid van het heelal nauwkeurig te meten en de zich ontwikkelende Hubble-discrepantie op te lossen.

Gegevens die onlangs zijn teruggestuurd voor d Cep van het Chandra X-ray Observatory, gecombineerd met eerdere röntgenmetingen die zijn beveiligd met de XMM-Newton röntgensatelliet, hebben aangetoond dat d Cep röntgenvariaties vertoont die optreden in overeenstemming met de pulsatieperiode van 5,4 dagen van de superreus. Röntgenstraling wordt waargenomen in alle fasen van de pulsaties van de ster, maar sterk stijgen met ~ 400% in de buurt van de tijden dat de ster opzwelt tot zijn maximale diameter van ongeveer 45 keer die van de zon.

"Onze eerste röntgenwaarnemingen van Cepheïden werden gedaan in 2006, en onze eerste ontdekkingen werden met veel scepsis ontvangen. Het idee dat Cepheïden röntgenactief zouden kunnen zijn, leek vergezocht omdat deze sterren slechts een paar keer massiever zijn en een beetje heter dan de zon, "zei Engle. "Meer dan een decennium later, we hebben eindelijk aangetoond dat ze in feite röntgenvariabel kunnen zijn, maar het werk is nog lang niet klaar. Nu moeten we begrijpen hoe ze hun röntgenstraling genereren en moduleren, en welk effect dit zou kunnen hebben op de Leavitt Period-Luminosity Law."

d Cep is een heldere ster, gemakkelijk te zien zonder een telescoop naar het noorden in het sterrenbeeld Cepheus. Deze gele superreuzenster, waarvan de optische helderheidsvariaties werden ontdekt in 1784, was een van de eerste bekende veranderlijke sterren. De lichtvariaties zijn het resultaat van radiale pulsaties, waarin de ster samentrekt en uitzet met dezelfde periode van 5,4 dagen als de helderheidsvariaties. Het oppervlak van d Cep bereikt supersonische snelheden van ongeveer 82, 000 mijl per uur, terwijl de ster krimpt en groeit met ongeveer 2 miljoen mijl tijdens elke pulsatieperiode. Duizenden Cepheïden zijn gevonden in ons melkwegstelsel en in andere melkwegstelsels op honderden miljoenen lichtjaren afstand.

Analyses van de röntgengegevens wijzen op de onverwachte aanwezigheid van zeer hete plasma's in d Cep, met temperaturen boven de 10 miljoen graden Celsius. Het is nog niet zeker of de röntgenstraling voortkomt uit pulsatie-geïnduceerde schokgolven in de dynamische atmosfeer van de ster, of van het genereren van een stellair magnetisch veld dat verstrikt raakt, röntgenstraling uitzendt. Andere Cepheïden worden bestudeerd om de bron van de verhitte, Röntgenstraling uitzendende plasma's. Ten minste twee extra Cepheïden vertonen potentiële röntgenvariabiliteit.

Het onderzoeksteam onder leiding van Engle en Guinan gebruikte eerder de Hubble-ruimtetelescoop om ultraviolette emissielijnen van d Cep en andere Cepheïden te bestuderen. Deze emissielijnen ontstaan ​​in plasma's tot 300, 000 graden Celsius; koeler dan röntgenstraling uitzendende plasma's, maar nog steeds veel heter dan de oppervlakten van de sterren. De ultraviolette emissies variëren ook in overeenstemming met de pulsatieperiodes van de Cepheïden, maar nemen sterk toe nadat de Cepheïden de minimale straal hebben bereikt, in tegenstelling tot de röntgenstraling die net na de maximale straal piekt. Het team bestudeert nog steeds precies waarom de ultraviolette en röntgenstraling pieken in zulke verschillende fasen van de pulsaties van de ster.

"Klassieke Cepheïden worden beschouwd als de belangrijkste veranderlijke sterren aan de hemel. Deze pulserende superreuzen worden sinds het midden van de jaren twintig door Edwin Hubble en andere astronomen gebruikt om de afstanden tot sterrenstelsels te meten en de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen. "zei Guinan. "Na vele pogingen, het falen om röntgenstralen van Cepheïden te detecteren in de jaren 1980-90 leidde astronomen ertoe om ze op te geven als potentiële röntgensterren. Dus het was een grote (maar aangename) verrassing om röntgenstraling te vinden van d Cep en verschillende andere Cepheïden."

Deze ontdekking van röntgenstralen voor d Cep en enkele andere Cepheïden is de nieuwste in een lijst van recent ontdekte eigenschappen van Cepheïden. Deze omvatten circumstellaire gas- en stoffige omgevingen, infrarood excessen, ultraviolette emissielijnen, en cyclus-tot-cyclus variaties in de periodieke lichtveranderingen van de sterren. Deze combinatie van ontdekkingen laat zien dat Cepheïden, na meer dan twee eeuwen studie, hebben nog steeds hun geheimen. Gezien het astrofysische en kosmologische belang van Cepheïden, en de hoge precisie die nodig is om kosmologische modellen te testen, deze nieuwe ontdekkingen moeten beter worden begrepen. Röntgenwaarnemingen van andere heldere Cepheïden zijn gepland om hun röntgengedrag te ontrafelen.