En gåtfull jätte

Eta Carinae är en av Vintergatans största stjärnor. Den sänder ut lika mycket ljus på 6 sekunder som vår sol strålar på ett helt år. Stjärnan erbjuder för oss astronomer inte bara ett antal svårlösta frågor, utan också unika möjligheter att utforska nya fenomen inom astrofysiken.

Genom att studera Eta Carinae kan vi bättre förstå slutfasen av en tung jättestjärnas liv, innan den blir en supernova eller ett svart hål. Från supernovor kommer många av de tyngre ämnen som bygger upp stjärnor, planeter och oss själva.

De flesta stjärnor har en massa på mellan 0,3 och 3 solmassor. Eta Carinae (härefter Eta) har en massa som är 100 gånger större än solens och är därmed en av de få riktigt massiva stjärnor som vi känner till i vår galax.

En ljusstark stjärna långt bort

Genom historien har Eta överlevt flera supernovaliknande utbrott. Ett av dem ledde till att Eta på 1840-talet ökade sin ljusstyrka så att den blev den näst starkaste stjärnan på natthimlen, överträffad endast av Sirius. Då ska man betänka att Sirius ligger 9 ljusår bort, medan Eta ligger på 7 500 ljusårs avstånd från jorden.

Vid det enorma utbrottet kastade Eta ut gas som svarar mot 10 solmassor. Gasen formade sig som två ihåliga tulpanformade lober, som utbreder sig i motsatta riktningar. Mellan loberna runt själva stjärnan finns också en skiva av gas. Detta ger Eta ett karakteristiskt utseende, som på tidiga fotografier påminner om en liten person, och strukturen fick därav namnet Homunculus, som betyder just ”liten människa”. På dagens bilder, tagna med Hubbleteleskopet (HST), ser man förstås fler detaljer av det timglasliknande objektet och dess ekvatorsskiva.

Genom spektroskopiska mätningar har amerikanska astronomer inuti loberna upptäckt en mindre, timglasformad struktur av gas – en förminskad kopia av Homunculus. På HST-bilderna är strukturen skymd av loberna och kan bara ses som ett blåaktigt område, men detaljerade spektra av området ger tack vare Dopplereffekten information om gasens hastighet. Det har hjälpt oss att bestämma utseendet på ”lilla Homunculus” och datera dess ursprung till omkring 1890 – samma tid som ljusstyrkan ökade med flera magnituder till följd av ett mindre utbrott. Varje magnitud är ca 2,5 gånger ljusstarkare.

I bilder tagna i infrarött ljus syns utanför Homunculus gas som förmodligen kastats ut vid tidigare utbrott. Under de senaste åren har ljusstyrkan ökat dramatiskt, troligtvis för att skymmande stoft runt stjärnan förstörts. Men det kan också tyda på en uppladdning inför ett nytt stort utbrott de närmsta åren.

En eller två stjärnor?

Att Eta strålar fem miljoner gånger starkare än vår sol betyder märkligt nog inte att stjärnan är inne i ett tillstånd av total kollaps. I själva verket kan det karakteriseras som stjärnans vardagsstrålning och dess normala tillstånd, som dock avbryts av perioder med lugnare utbrott. Då ändras det utskickade ljuset från Eta fullständigt, både vad avser mängd (magnitud) och energifördelning (spektrum).

Det senaste utbrottet inträffade i slutet av juni 2003, och många av världens teleskop riktades då mot Eta i hopp om att öka informationen och därmed förståelsen av stjärnan. Teleskopen registrerade förändringarna i alla våglängdsområden – allt från radiovågor, infraröd strålning och synligt ljus till strålning i ultraviolett och röntgen.

De senaste utbrotten har visat sig inträffa med samma mellanrum – 5,54 år – och nästa utbrott förväntas i januari 2009. Periodiciteten syns både i det visuella spektrumet och i röntgenspektrumet.

Vi kan lära oss mer om Eta genom att studera hur dess omgivning reagerar på förändringarna i strålning vart femte år. Tillsammans med Vladilen Letokhov, gästprofessor från Moskva, har vi i Lund de senaste sex åren gjort sådana spektroskopiska studier av Eta.

En av de centrala frågorna som vi söker svar på är om det i centrum finns en eller två stjärnor. Täta stjärnvindar av varm gas gör att det varken går att se själva centrumet av objektet eller att få ett spektrum av det. Mycket talar dock för att det är en dubbelstjärna med en ovanligt excentrisk omloppsbana – en tillplattad ellips där stjärnorna under kort tid kommer väldigt nära varandra. Den täta passagen mellan de två stjärnorna och deras kolliderande stjärnvindar skulle då kunna ge upphov till de återkommande händelserna med perioden 5,54 år. Först ökar röntgenstrålningen när partiklar i de två stjärnvindarna kolliderar, sedan döljs kollisionsområdet under tre månader varvid röntgenstrålningen blockeras.

Variationen i det synliga ljus som sänds ut från gasbubblor utanför centrumet kan också förklaras av idén om en dubbelstjärna. Då den energirika strålningen från den mindre stjärnan skuggas av den större stjärnan försvinner vissa karakteristiska linjer från spektrumet.

Laserbubblor

På några ljusdagars avstånd från centrumstjärnan finns gasbubblor som har kastats ut vid de stora utbrotten. Längden på hela synliga Homunculus är omkring 250 ljusdagar. Gasbubblorna, som är ungefär lika stora som hela vårt solsystem, kan med Hubbleteleskopet observeras åtskilda från och ostörda av centralstjärnan. Bubblorna är inte självlysande, utan ljuset bildas när den strålning som kommer från centralstjärnan omvandlas – ungefär som norrsken bildas av solenergi i jordens atmosfär. Resultatet blir att endast strålning i vissa frekvenser sänds ut från gasbubblan. Detta linjespektrum förändras i takt med förändringar i stjärnljuset.

Gasbubblorna, som kallas Weigelt blobs efter dess upptäckare, har vi kunnat använda som astrofysikaliska laboratorier. Bubblornas temperatur, partikeltäthet och strålningsmängd går inte att återskapa i ett vanligt laboratorium, vilket gör det möjligt för oss att undersöka egenskaper hos atomer under andra betingelser än här på jorden. Vi har påvisat flera fysikaliska processer i bubblorna som inte har observerats tidigare i universum, trots att de kan vara mycket viktiga för att förstå många objekt. Till exempel har Sveneric Johansson och Vladilen Letokhov upptäckt den första naturliga lasern i det optiska våglängdsområdet.

Medan lasereffekt i mikrovågsområdet, maser, är ganska vanlig, är laser med synligt ljus extremt osannolik. I Eta uppstår den naturliga lasereffekten i linjer av syre och joniserat järn, som får sin energi av stark strålning från väteatomer.

På ruinens brant?

Andra bubblor i ekvatorsskivan, vilka kastades ut vid ett av de stora utbrotten, har en mycket speciell kemisk sammansättning. Detta avslöjas bland annat av spektrallinjer som inte har observerats tidigare i något annat objekt i universum. Dessa kemiska mönster är en nyckel till att förstå bakomliggande processer i Eta.

Stora och tunga stjärnor lever intensivt, och de slutar sina liv mer drastiskt än lättare stjärnor (se Rymdens magnetiska fyrar, F&F 1/06). Eta, som har en uppskattad födelsemassa på 150 solmassor, kommer högst sannolikt att explodera som en supernova. Det är osäkert hur lång tid det är kvar till det slutgiltiga utbrottet, men analyser av spektra visar att den utkastade massan innehåller höga halter av kväve. Det tyder på att stjärnsystemet är långt utvecklat och i slutet av sin levnad.

Vid ett supernovautbrott slungas de grundämnen som har bildats i stjärnan ut i den mycket tunna gas som finns mellan stjärnorna, det så kallade interstellära mediet. Ur denna gas bildas sedan nästa generations stjärnor med högre halter av tunga ämnen. Etas bidrag till det interstellära mediet är gigantiskt, med tanke på att enbart massan i de stora loberna som skickades ut vid utbrottet för drygt 150 år sedan uppskattas till över 10 solmassor. Kvar efter supernovaexplosionen blir troligen ett svart hål eller en neutronstjärna.

Som förstadium till en supernova är Eta mycket intressant, då utbrotten och massutkastningarna kan studeras i detalj. Ingen av de andra giganterna i Vintergatan har kunnat studeras med så kraftfulla instrument och så ingående som Eta – i hela det elektromagnetiska spektrumet.

Fortfarande ett mysterium

Trots 150 år av observationer av Eta Carinae i nästan alla tillgängliga frekvensområden är många viktiga frågor fortfarande olösta. Vad orsakar de största utbrotten? Hur kan vi ta reda på om det är en dubbelstjärna som orsakar det pulserande spektrumet? Varför har vissa gasmoln i ekvatorsskivan en onormal kemisk sammansättning? Vilka är de avgörande egenskaperna hos de gasmoln som uppvisar naturlig laserstrålning?

Många andra delfrågor har redan besvarats, och fler kommer att få svar under de närmaste åren när vi i mer detalj analyserar den stora mängden data som samlades in 2003. Kunskapen från dessa analyser ger oss också möjlighet att ställa mer precisa frågor inför nästa utbrott i januari 2009.