Wetenschap
Het onthullen van de oorsprong van onverwachte verschillen in gigantische dubbelsterren
Met behulp van de Gemini South-telescoop heeft een team van astronomen voor het eerst bevestigd dat verschillen in de samenstelling van dubbelsterren kunnen voortkomen uit chemische variaties in de wolk van stellair materiaal waaruit ze zijn ontstaan. De resultaten helpen verklaren waarom sterren geboren uit dezelfde moleculaire wolk een verschillende chemische samenstelling kunnen hebben en verschillende planetaire systemen kunnen huisvesten, en een uitdaging kunnen vormen voor de huidige modellen voor de vorming van sterren en planeten.
Er wordt geschat dat tot 85% van de sterren in dubbelstersystemen voorkomt, sommige zelfs in systemen met drie of meer sterren. Deze stellaire paren worden samen geboren uit dezelfde moleculaire wolk uit een gedeelde overvloed aan chemische bouwstenen, dus astronomen zouden verwachten dat ze een vrijwel identieke samenstelling en planetaire systemen hebben.
Voor veel binaire bestanden is dat echter niet het geval. Hoewel sommige voorgestelde verklaringen deze verschillen toeschrijven aan gebeurtenissen die plaatsvonden nadat de sterren zich ontwikkelden, heeft een team van astronomen voor het eerst bevestigd dat deze verschillen zelfs al kunnen ontstaan voordat de sterren zich begonnen te vormen.
Onder leiding van Carlos Saffe van het Instituut voor Astronomische, Aard- en Ruimtewetenschappen (ICATE-CONICET) in Argentinië maakte het team gebruik van de Gemini South-telescoop in Chili, de helft van het International Gemini Observatory.
Met de nieuwe, nauwkeurige Gemini High-Resolution Optical Spectrograph (GHOST) bestudeerde het team de verschillende golflengten van licht, of spectra, afgegeven door een paar reuzensterren, wat significante verschillen in hun chemische samenstelling aan het licht bracht.
"De extreem hoogwaardige spectra van GHOST boden een ongekende resolutie", zei Saffe, "waardoor we de stellaire parameters en chemische hoeveelheden van de sterren met de hoogst mogelijke precisie konden meten." Uit deze metingen bleek dat de ene ster een grotere hoeveelheid zware elementen had dan de andere. Om de oorsprong van deze discrepantie te ontrafelen, gebruikte het team een unieke aanpak.
Eerdere studies hebben drie mogelijke verklaringen voorgesteld voor waargenomen chemische verschillen tussen dubbelsterren. Bij twee daarvan zijn processen betrokken die tot ver in de evolutie van de sterren zouden plaatsvinden:atomaire diffusie, of het neerslaan van chemische elementen in gradiëntlagen, afhankelijk van de temperatuur en de zwaartekracht aan het oppervlak van elke ster, en de verzwelging van een kleine, rotsachtige planeet, die chemische stoffen zou introduceren. variaties in de samenstelling van een ster.
De derde mogelijke verklaring kijkt terug op het begin van de vorming van sterren en suggereert dat de verschillen hun oorsprong vinden in oorspronkelijke of reeds bestaande gebieden van niet-uniformiteit binnen de moleculaire wolk. In eenvoudiger bewoordingen:als de moleculaire wolk een ongelijkmatige verdeling van chemische elementen heeft, zullen sterren die in die wolk worden geboren een verschillende samenstelling hebben, afhankelijk van welke elementen beschikbaar waren op de locatie waar ze ontstonden.
Tot nu toe hebben onderzoeken geconcludeerd dat alle drie de verklaringen waarschijnlijk zijn; Deze onderzoeken waren echter uitsluitend gericht op binaire bestanden in de hoofdreeks. De 'hoofdreeks' is het stadium waarin een ster het grootste deel van zijn bestaan doorbrengt, en de meerderheid van de sterren in het universum zijn hoofdreekssterren, inclusief onze zon.
In plaats daarvan observeerden Saffe en zijn team een dubbelster bestaande uit twee gigantische sterren. Deze sterren bezitten extreem diepe en sterk turbulente externe lagen of convectieve zones. Dankzij de eigenschappen van deze dikke convectiezones kon het team twee van de drie mogelijke verklaringen uitsluiten.
De voortdurende werveling van vloeistof binnen de convectieve zone zou het voor het materiaal moeilijk maken om zich in lagen te nestelen, wat betekent dat reuzensterren minder gevoelig zijn voor de effecten van atomaire diffusie, waardoor de eerste verklaring wordt uitgesloten. De dikke buitenlaag betekent ook dat een planetaire verzwelging de samenstelling van een ster niet veel zal veranderen, omdat het opgenomen materiaal snel verdund zou worden, wat de tweede verklaring uitsluit.
Dit laat fundamentele inhomogeniteiten binnen de moleculaire wolk achter als de bevestigde verklaring. ‘Dit is de eerste keer dat astronomen kunnen bevestigen dat de verschillen tussen dubbelsterren al in de vroegste stadia van hun vorming beginnen’, zegt Saffe.
‘Met behulp van de precisiemeetmogelijkheden van het GHOST-instrument verzamelt Gemini South nu observaties van sterren aan het einde van hun leven om de omgeving te onthullen waarin ze zijn geboren’, zegt Martin Still, NSF-programmadirecteur van het International Gemini Observatory. . “Dit geeft ons de mogelijkheid om te onderzoeken hoe de omstandigheden waarin sterren ontstaan, hun hele bestaan gedurende miljoenen of miljarden jaren kunnen beïnvloeden.”
Drie gevolgen van dit onderzoek zijn van bijzonder belang. Ten eerste bieden deze resultaten een verklaring waarom astronomen dubbelsterren met zulke verschillende planetenstelsels zien. “Verschillende planetaire systemen zouden heel verschillende planeten kunnen betekenen – rotsachtige, aardachtige, ijsreuzen, gasreuzen – die op verschillende afstanden rond hun gaststerren draaien en waar het potentieel om leven te ondersteunen heel verschillend kan zijn”, aldus Saffe.
Ten tweede vormen deze resultaten een cruciale uitdaging voor het concept van chemische tagging (het gebruik van chemische samenstellingen om sterren te identificeren die uit dezelfde omgeving of stellaire kraamkamer komen) door aan te tonen dat sterren met verschillende chemische samenstellingen nog steeds dezelfde oorsprong kunnen hebben.
Ten slotte zullen de waargenomen verschillen die eerder werden toegeschreven aan planetaire inslagen op het oppervlak van een ster moeten worden herzien, omdat nu kan worden aangenomen dat ze er al vanaf het allereerste begin van het leven van de ster waren.
‘Door voor de eerste keer aan te tonen dat fundamentele verschillen werkelijk aanwezig zijn en verantwoordelijk zijn voor de verschillen tussen tweelingsterren, laten we zien dat de vorming van sterren en planeten complexer kan zijn dan aanvankelijk werd gedacht’, zegt Saffe. "Het universum houdt van diversiteit."
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy &Astrophysics .