VERANDERLIJKE STERREN

Transcriptie

1 VERANDERLIJKE STERREN angular diam. in Jan Willem Pel l Car P = 35.5 d CURSUS ASTRONOMIE EN ASTROFYSICA GRONINGEN GRONINGEN

2 term veranderlijke sterren is misleidend: STERREN EVOLUEREN ALLE STERREN ZIJN VERANDERLIJK maar tijdschaal van die evolutie is erg lang: miljoenen tot miljarden jaren alleen in snelste evolutie-fasen zijn veranderingen waarneembaar Massa (Zon =1) 100 het Hertzsprung-Russell diagram tijd op de main sequence in miljarden jaren ZON GRONINGEN

3 duizenden jaren heeft de mensheid gedacht dat de sterren eeuwig en onveranderlijk waren zeldzame uitzonderingen: heel soms verscheen een nieuwe ster (nova) beroemde historische voorbeelden: 1054 Krabnevel supernova 1572 Tycho s supernova 1604 Kepler s supernova eerste ontdekkingen van minder spectaculaire veranderlijkheid: 1596 Fabricius: Mira Ceti 1667 Montanari: Algol ( Per) [maar: waarschijnlijk al bij Arabieren bekend] 1784 Cephei GRONINGEN

4 de Krabnevel gezien door Hubble GRONINGEN

5 de resten van de supernovae van Tycho en Kepler nu, gezien in Röntgen-licht (Chandra satelliet) SN1572 SN1604 beide supernovae waren van het type Ia : witte dwergen in dubbelster-systemen die door massa-overdracht instabiel worden en zichzelf volledig opblazen belangrijke eigenschap: piek-helderheid is altijd dezelfde SN Ia bruikbaar als afstands-indicator op cosmologische afstanden GRONINGEN

6 tot midden 19e eeuw bleef het aantal veranderlijke sterren heel beperkt met de komst van de fotografie, en later de electronische detectoren veranderde dat, en er zijn nu vele tienduizenden variabele sterren bekend er zijn twee hoofdgroepen: a) ECLIPSVARIABELEN hier ontstaan de lichtvariaties door toevallige geometrie: de Aarde ligt in het baanvlak van een dubbelster analyse van de lichtkromme levert baanparameters en ster-afmetingen b) INTRINSIEKE VARIABELEN variabiliteit ontstaat door intrinsieke fysische veranderingen in de ster zelf dit leert ons iets over de fysica van het sterinwendige GRONINGEN

7 INTRINSIEK VERANDERLIJKE STERREN VIND JE VRIJWEL OVERAL IN HET HR-DIAGRAM: VARIABILITEIT GEEFT INFORMATIE OVER DE INWENDIGE STRUCTUUR VAN DEZE STERREN GRONINGEN

8 na WO-II is er een doorbraak in vele gebieden van de astrofysica en de observationele sterrenkunde: THEORIE: atoomfysica kernfusie geïdentificeerd als energiebron van sterren; hoofdzaken van nucleosynthese in sterren nu begrepen eerste sterevolutie berekeningen de motor van ster-pulsaties (Cepheiden, RR Lyrae sterren) wordt gevonden vanaf de vroege jaren 60 berekenen Christie, J.P.Cox, A.N.Cox c.s. hydrodynamische modellen van pulserende sterren NIEUWE TECHNIEKEN, NIEUWE DATA: krachtige electronische computers betere fysica: nucleaire reactiesnelheden, opacities openlegging van het hele electromagnetische spectrum (radioastronomie, ruimteonderzoek) ontdekking van nieuwe soorten variabele sterren: pulsars, X-ray binaries, etc. overgang van fotografie naar electronische detectoren voor het hele optisch-infrarode golflengte gebied nieuwe grote telescopen op goede locaties veel zeer goede nieuwe data GRONINGEN

9 Cepheiden strip met de nieuwe atoom-fysica kunnen nu sterevolutie sporen in het HR-diagram berekend worden de verdeling van sterren over het HR-diagram kan eindelijk verklaard worden! vroege set evolutie sporen door Iben (1967): Cepheiden zijn in de core-helium-burning fase zero age main sequence fusie H He parallele evolutie vanaf de main-sequence Mass-Luminosity (ML) relatie geldt voor Cepheiden periode P (gem.dichtheid) = = (M/R 3 ) tevens: L R 2 T 4 dit verklaart bestaan van de P-L-T relatie voor Cepheiden! GRONINGEN

10 1953: Zhevakin (1953) vindt heat valve mechanisme dat Eddington al in 1926 voorstelde T He + ionizatie zone het ongewone gedrag van de opaciteit in deze zones levert de aandrijving van de pulsatie H ionizatie zone Christie 1962: eerste hydrodynamische modellen van RR Lyrae sterren, later ook Cepheiden GRONINGEN uur, typische RR Lyrae periode

11 Luminosity L model van een kortperiodieke Cepheide (P = 1.6 d) door Christie (1974) Temperatuur T radiele snelheid v R straal R tijd oppervlak snelheidskrommen voor de 39 buitenste lagen tijd centrum GRONINGEN

12 CEPHEIDEN ALS AFSTANDS-INDICATORS pulsatie theorie: P = P(M, R) ster-evolutie: (M, L) relatie P = P(L, T) basis fysica: L = const.(r 2 T 4 ) met bolometrische correcties en T- kleur transformaties de P-L-C relatie : P = P(M V, kleur) meet: P schijnbare helderheid m V kleuren reddening -vrije kleur M V, afstand calibratie van P-L-C: helling d.m.v. Cepheiden in Magelhaanse Wolken nulpunt M V d.m.v. Cepheiden in Galactische clusters GRONINGEN

13 CEPHEIDEN EN FYSICA VAN STERINWENDIGE ~1970 ontstaat een probleem: Cepheiden massa s uit sterevolutie modellen zijn 30-50% groter dan die vlg. pulsatie theorie Cepheiden in open clusters: P, L,T, R bekend alternatieve massa bepalingen d.m.v. pulsatie theorie: double-mode Cepheiden met M-L rel. uit evolutie theorie met P-M-R rel. uit pulsatie theorie 2 perioden M volgt uit pulsatie theorie M ev M puls M beat bumps in Cepheide lichtkrommen M volgt uit pulsatie modellen M bump M ev > M puls > M beat, M bump welke theorie is fout?! ~1990: niewe opacities met hogere metals rond T=10 5 K nu verdwijnen de massa discrepanties! GRONINGEN

14 Cepheiden zijn cruciaal voor de KOSMISCHE AFSTANDSSCHAAL ze zijn intrinsiek helder (L~ x L ZON ), maar toch nog zwak in andere melkwegstelsels Hubble Space Telescope (gelanceerd 1990) calibratie van de Hubble constante H 0 (kosmische expansie snelheid) m.b.v. extragalactische Cepheiden was een kerntaak voor de HUBBLE telescoop 16 d Cepheide in NGC5253 (op 4.1 Mpc = 13.4 Mlj) rond 1990 was H 0 nog tamelijk onzeker: waarden tussen 50 en 100 km /s /Mpc! m.b.v. Cepheiden in galaxies tot op 30 Mpc kon Hubble dit verbeteren: H 0 = 72 8 km /s /Mpc (Freedman et al. 2001) GRONINGEN

15 GRAVITATIONAL MICROLENSING SURVEYS 1st overtone Cepheide fundamental mode Cepheide Griest 1991: donkere materie is mogelijk in de vorm van MACHO s (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) die zijn misschien detecteerbaar d.m.v. gravitational microlensing start van microlensing surveys (MACHO, EROS, OGLE) methode: fotometrie van zeer veel sterren in de Magelhaanse Wolken en in de Galactische bulge R 0 mag log P d nieuwe LMC Cepheiden ontdekt door MACHO geen MACHO s gevonden, maar belangrijk bijproduct: heel veel nieuwe variabele sterren! MACHO+OGLE vinden > 3000 nieuwe Cepheiden in Magelhaanse Wolken verbetering van de P-L-C relatie overtone pulsators nu duidelijk herkend GRONINGEN

16 INTERFEROMETRIE: EERSTE DIRECTE METING VAN STERPULSATIES VLT-Interferometer: vier 8-m telescopen (UT s) + vier mobiele 1.8-m telescopen (AT s) Kervella et al. (2003) maten 7 Cepheiden (P d) met VINCI bij = 2.2 m: X Sgr, Aql, W Sgr, Gem, Dor, Y Oph and l Car NB: i.p.v. de 1.8-m AT s werden nog 0.35-m siderostaten gebruikt directe metingen van de diameter-variaties! hoekdiam. in Basislijnen gebruikt voor de VINCI/VLTI Cepheiden waarnemingen: UT1-UT3 (102.5 m), E0-G1 (66 m) and B3-M0 (140 m) l Car NB: 1 = 1 cm op 2 km! P = 35.5 d GRONINGEN

17 toegang tot nieuwe golflengtegebieden nieuwe soorten variabiliteit PULSARS 1967 Hewish & Bell: eerste pulsar (bij radio golflengten) 1968 Gold, Pacini: pulsars zijn snel roterende neutronensterren met vuurtoren bundel 1969 Crab pulsar ook optisch gevonden overblijfsel van SN binary pulsar 1982 milliseconde pulsar optische lichtkromme van de Crab pulsar (Groth, 1969) inmiddels zijn ~1800 pulsars bekend perioden in de range sec ze kunnen stralen op alle golflengten (radio tot gamma) ze zijn klein (~10 km), ultracompact (10 15 g/cm 3 ) en hebben extreem sterke magneetvelden zeer geschikt voor studie van extreme fysica pulsars zijn ultra-preciese klokken in dubbelsterren: - tests van alg. relativiteitstheorie - bron van gravitatie golven? optisch/x-ray composiet beeld van gebied rond de Crab pulsar (Hubble + Chandra) GRONINGEN

18 RÖNTGEN DUBBELSTERREN 1962 eerste Röntgen bronnen ontdekt: Sco-X1, Cyg-X1 (Giacconi et al., raket experimenten) 1966 Sco-X1 geïdentificeerd zwakke blauwe veranderlijke ster 1967 Ginzburg c.s.: accretie op compact object 1971 satelliet UHURU: veel nieuwe Röntgen bronnen sommige met periodiek gedrag dubbelsterren 2010 verschillende black hole kandidaten (e.g. Cyg-X1, Vela-X1) dubbelster accretie model: in een geëvolueerde dubbelster stroomt massa van een normale ster naar een witte dwerg, neutronenster, of black hole begeleider enorme versnelling vlakbij het compacte object hoog-energetische processen in accretieschijf zeer harde straling GRONINGEN

19 GAMMA-RAY BURSTERS 1969 VELA satelliten ontdekken -bursters (GRB) verdeling is uniform over de hemel extragalactisch? als dat waar is, moeten ze extreem helder zijn 1997 detecties van optische afterglow dankzij nauwkeuriger posities van BeppoSAX satelliet identificatie van GRB s in verre melkwegstelsels 2004 SWIFT + robot-telescopen op de grond: meer afterglow detecties, sommige met grote roodverschuiving (z > 6)! net zoals pulsars en Röntgen-dubbelsterren zijn GRB s ideale objecten voor de studie van hoge-energie fysica en relativiteitstheorie de verklaring van GRB s is nog steeds onzeker: nieuw type supernova? vorming van een black hole? in elk geval geven GRB s toegang tot processen op zéér grote afstanden, dus in het jonge heelal GRONINGEN

20 DE ZON ALS VERANDERLIJKE STER: HELIOSEISMOLOGIE 1960 Leighton: 5-minuten oscillaties van de Zon 1970 Ulrich, Leibacher & Stein: dit zijn resonante acoustische golven 1975 begin van helio-seismologie : bereken interne structuur van de Zon uit het spectrum van trillingen een van deze trillings-modes: blauw: beweging naar buiten rood: beweging naar binnen GRONINGEN

21 10 het complete trillings-spectrum bevat millioenen frequenties! bij elkaar geven die nauwkeurige informatie over: interne structuur interne rotatie en leeftijd van de Zon 3 2 n=1 resultaten kloppen goed met het standaard Zonsmodel, maar lang was er ook een verontrustende discrepantie, het solar neutrino probleem : minder neutrino s gemeten dan theoretisch voorspeld 0,003 Hz P = 5.5 min pas in de jaren 90 opgelost (verbeterde neutrino fysica) de eerste Zon-achtige trillingen zijn nu ook gedetecteerd bij nabije sterren, bijv. Cen, Procyon, Hyi begin van astro-seismologie GRONINGEN