Aan de hand van waarnemingen gemaakt met de NASA TESS ruimtetelescoop en spectroscopie van de KU Leuven Mercator telescoop is een team van onderzoekers van de KU Leuven erin geslaagd om een nieuwe zware pulserende ster te ontdekken, genaamd HD192575, en zowel diens massa, leeftijd en interne rotatie te bepalen. Deze bevindingen zijn belangrijk aangezien zware sterren zoals HD192575 op een bepaalde dag zullen uiteenspatten als supernova en zo een kosmisch ballet scheppen op de nachthemel. Om de fysica achter dergelijke supernova te begrijpen, alsook de zwarte gaten en tollende neutronensterren die achterblijven, is het noodzakelijk om te achterhalen hoe hun voorgangers intern samengesteld zijn, en hoe ze evolueren. HD192575 biedt hierbij een uniek inzicht voor het opkomende ballet, aangezien zware sterren maar kortstondig leven in het Universum, en een gedetailleerde beschrijving zeer nauwkeurige data sets van lange duur vereist.
De studie, geleid door Dr. Siemen Burssens van de KU Leuven, België en gepubliceerd in Nature Astronomy, paste de techniek van asteroseismologie toe om de helderheidsveranderingen te bestuderen van een nieuw ontdekte veranderlijke ster, bekend als HD 192575. Asteroseismologie is de studie van golven in sterren en maakt het mogelijk voor astronomen om een glimp op te vangen vanachter het generale repetitiegordijn dat wordt getrokken door het ondoorzichtige stellaire oppervlak van de ster. Bijna alle sterren in het heelal zijn veranderlijke sterren, wiens intrinsieke helderheid varieert vanwege golven die in het binnenste van de ster worden opgewekt. Deze golven worden beïnvloed door de interne rotatie en kernstructuur van de ster, waardoor astronomen door middel van het observeren van de elegante pirouettes en het lichtspel aan de hemel de fysieke processen kunnen begrijpen die hiervoor verantwoordelijk zijn. Deze fysieke processen, zoals magnetische velden, chemisch transport en het transport van impulsmoment, zijn lange tijd ongeijkt gebleven voor zware sterren, terwijl dergelijke ijkingen juist broodnodig zijn om het uiteindelijke lot van de ster te voorspellen. Aan de hand van helderheidsveranderingen ontdekt in de zeer nauwkeurige lichtkromme van lange duur samengesteld door NASA's TESS missie, konden Dr. Burssens en zijn collega’s de leeftijd en massa van HD 192575 bepalen met een ongekend hoge precisie.
Dankzij de nieuwe modelleringstechnieken die in dit werk ontwikkeld werden, waren Dr. Burssens en zijn team in staat om de massa van HD 192575 te meten als 12 keer de massa van onze zon en een leeftijd van 15 miljoen jaar. Dit zorgt dat HD 192575 behoort tot de zeldzaamste en zwaarste sterren die ooit zijn gemodelleerd met behulp van asteroseismologie, aangezien dergelijke sterren in het heelal van extreem korte levensduur ten opzichte van het Universum. Bovendien werd ontdekt dat de sterrenkern (waar kernfusie plaatsvindt) van HD 192575 ongeveer 1,5 keer sneller tolt in vergelijking met de oppervlaktelagen, wat niet wordt voorspeld door de huidige niet-magnetische roterende sterrenstructuur en evolutie modellen. Deze resultaten zijn cruciaal voor het begrijpen van de wetten van de fysica die de interne rotatiegeschiedenis van dergelijke sterren bepalen, vanaf de geboorte tot hun uiteindelijke lot als supernova-explosies wanneer ze neutronensterren en zwarte gaten vormen.
"Net als een balletdanser die sneller draait door zijn uitgestrekte armen dichter bij zijn lichaam te brengen, zou HD 192575 een kern moeten hebben die sneller begint te draaien naarmate hij ouder wordt en krimpt. De rotatiesnelheid van de kern die we vandaag meten, is echter niet zo snel in vergelijking met zijn buitenste lagen zoals voorspeld door huidige niet-magnetische roterende modellen", zegt Dr. Dominic Bowman (KU Leuven), co-auteur van de studie. "Hierdoor moesten we nadenken over welke fysica verantwoordelijk zou kunnen zijn voor gemeten rotatieprofiel van HD 192575."
Naast nieuwe TESS lichtkromme waren spectroscopische en astrometrische data van de KU Leuven Mercator-telescoop en ESA's Gaia-ruimtemissie essentieel om het inwendige rotatieprofiel te meten en de precieze massa en leeftijd van HD 192575 te bepalen. Het was de unieke combinatie van de verschillende databronnen die het team in staat stelden om ook de hoeveelheid chemische vermenging diep in HD 192575 nauwkeurig af te leiden en zo de kernmassa te bepalen. Deze kernmassa is een belangrijke voorspeller van de toekomstige evolutie en uiteindelijke supernova-explosie van de zware ster. Dit is uniek gezien het feit dat tot nu toe voor slechts een handvol zware sterren de kernmassa op deze manier bepaald kon worden. De combinatie van een nauwkeurige kernmassa en rotatieprofiel maken HD 192575 tot een echt uniek kalibratiepunt voor stellaire evolutietheorie.
"Alhoewel we een eerste asteroseismische karakterisering van HD 192575 hebben kunnen geven, is er nog steeds een rijkdom aan informatie in de waargenomen helderheidsveranderingen, die we van plan zijn te gebruiken aan de hand van nieuwe theoretische kaders die momenteel in ontwikkeling zijn", zegt Dr. Siemen Burssens.
En daar stopt het onderzoek niet. De precieze kernmassa, leeftijd en rotatieprofiel van HD 192575 zullen dienen voor het ijken van de fysische processen actief in het binnenste van zware sterren, zoals magnetische velden en het transport van impulsmoment. Hiernaast dienen deze parameters ook als kalibratie voor galactische evolutiemodellen. HD 192575 is voorlopig uniek als kalibratiepunt, maar NASA's TESS-missie levert voortdurend continue en nauwkeurige data voor duizenden zware sterren van verschillende massa's en leeftijden. Men verwacht dat het aantal asteroseismische studies voor zware sterren in de komende jaren drastisch zal toenemen.
"Het in kaart brengen van de evolutie van zware sterren met behulp van TESS data van veranderlijke zware sterren ligt nu binnen handbereik dankzij onze proof-of-concept studie van HD 192575", concludeert Dr. Dominic Bowman.
Het team onder leiding van Dr. Siemen Burssens (KU Leuven) bestaat uit onderzoekers uit België, Spanje, Frankrijk, Polen en de VS en werd op 22 juni 2023 gepubliceerd in Nature Astronomy.
Bron: KU Leuven
