Svenska ögon riktas mot en döende stjärna

För första gången har makalöst skarpa bilder av en döende stjärna kunnat tas med ALMA-teleskopet i Atacamaöknen i Chile. Stjärnan, R Sculptoris, är en röd jätte och vi tror att den visar oss vad som kommer att hända med solen när den så småningom dör, om flera miljarder år. Den döende stjärnan är ungefär 900 ljusår från oss och ligger i stjärnbilden Bildhuggaren, 30 grader söder om himmelsekvatorn. Den är knappt synlig för blotta ögat från södra Sverige, om man hittar en tillräckligt mörk plats med klart väder.

På bilderna syns ett hölje av kolmonoxidgas som innesluter stjärnan. Gashöljet har en radie hundra gånger större än avståndet mellan solen och Pluto. Gasen lyser då den hettas upp av stjärnljuset och av kollisioner mellan molekylerna och stoftet i gasen.

Tidigare ingick gasen i stjärnans atmosfär. Men när stjärnan dör utvecklas en kraftig vind som blåser bort hela atmosfären och bildar ett expanderande gashölje runt om stjärnan. Höljet sprids med en hastighet av 60 000 kilometer i timmen ut i rymden och kommer så småningom att återanvändas för att skapa nya stjärnor.

Vinden från R Sculptoris har vridits runt i en spiral. Vi tror att spiralen har formats av en mycket närbelägen kompanjon till stjärnan som rör sig genom gasen. Kompanjonen kan vara en mindre stjärna eller en jätteplanet, som är bunden till R Sculptoris av gravitationen och som drar till sig gasen när denna flödar ut från jättestjärnan. På våra bilder ser spiralen platt ut, eftersom vi bara tittar på ett lager och ser den i genomskärning. I själva verket ligger gasen runt om R Sculptoris i stora bågar som i en lök.

Med det nya radioteleskopet ALMA kan vi ta bilder där vi kan stega igenom löklagren och på så sätt få fram en bild i tre dimensioner. Tekniken i sig är inte ny, men ALMA är många gånger kraftfullare än tidigare teleskop av den här typen och kan därför producera bilder med fantastisk detaljrikedom.

ALMA är världens högst belägna astronomiska observatorium, placerat på en slätt på dryga 5 000 meters höjd i de chilenska Anderna. Teleskopet håller fortfarande på att byggas, men observationerna började redan förra året. Bygget beräknas bli färdigt i år, och då kommer teleskopet att bestå av 66 stora radioantenner som kan sättas samman på olika sätt till ett jätteteleskop.

Varje antenn är mellan 7 och 12 meter i diameter, väger över 100 ton och kan som mest flyttas 16 kilometer över slätten med specialdesignade transportfordon. Dessa fordon är 10 meter breda och 20 meter långa, väger 130 ton och har 28 hjul.

För att säkert kunna transportera en 100 ton tung antenn utrustad med känslig mätutrustning, har transportfordonen extra tillbehör och ett särskilt bromssystem.

Eftersom luften är så tunn, behövs dessutom extra kraftiga motorer då de kommer att arbeta med lägre effekt än i tätare luft. Förarstolens ryggstöd är utformat så att föraren kan bära en ­syretank på ryggen för att lättare kunna andas på den höga höjden. ALMA byggs för att studera universums kalla delar – gas och stoft – och kommer att kunna ta bilder som är upp till 10 gånger skarpare än rymdteleskopet Hubble.

Strax efter big bang fanns bara de fyra lättaste grundämnena: väte, helium, litium och beryllium. Alla tyngre grundämnen har sedan dess bildats inuti stjärnor – kol, som allt jordliv är uppbyggt av, kväve och syre i luften, aluminium i aluminiumfolie, svavel i tändstickor, klor i vattnet i simhallen, silver och guld, uran till kärnkraft och alla de andra ämnen som vi omges av. En stjärna är alltså en stor grundämnesfabrik, och när stjärnan dör sprids de nytillverkade ämnena och används för att bygga nya stjärnor och planeter.

Alla tyngre grundämnen som finns på jorden är skapade inne i stjärnor som fanns i vår galax före solen. Riktigt tunga ämnen kan bara bildas i supernovaexplosioner. Men många andra tyngre ämnen skapas också i röda jättar. Vi tror att röda jättar har tillverkat ungefär en tredjedel av allt kol som finns i vår galax.

Redan på 1950-talet upptäcktes radioaktiva isotoper av grundämnet technetium i röda jättar. Dessa isotoper har relativt kort livstid – deras halveringstid är bara några hundratusen år – och eftersom röda jättar är flera miljarder år gamla, så måste isotoperna ha skapats i kärnreaktioner inne i stjärnan. Vi tror numera att en betydande del av alla grundämnen som har en atomvikt på 90–204 skapas i just röda jättar.

För att undersöka vilka ämnen som bildas i olika typer av stjärnor försöker vi både mäta halterna av olika ämnen i rymden och jämföra dem med våra teoretiska modeller för hur dessa ämnen bildas därute. På så sätt kan vi förstå dels vårt eget ursprung, och dels – i mycket större skala – hela galaxers kemiska kretslopp.

Röda jättar är döende stjärnor. Med döende menar vi att de snart kommer att sluta förbränna lättare grundämnen till tyngre genom fusion i sitt inre. Då slocknar stjärnorna.

Inuti röda jättar sker inte förbränningen längst in i kärnan som i solen. Det är inte tillräckligt hett där för att förbränna tunga grundämnen, och alla de lätta grundämnena har redan brunnit upp. Med tiden flyttar förbränningen av lättare ämnen utåt och sker i skal runt om kärnan. Komplicerade förlopp där förbränningsprocesserna tänds och släcks om vartannat gör att stjärnans yttre delar sväller upp – den blir en jätte. När vår sol blir en röd jätte kommer den att vara stor nog att innesluta jordens nuvarande bana.

När skalen brinner transporteras stora mängder energi inifrån och utåt. Hela stjärnan kokar och stora bubblor rör sig upp till ytan. Dessa jättebubblor drar med sig gas och förbränningsprodukter från stjärnans inre upp till ytan. Stjärnan dör först när vinden har blåst bort så mycket av atmosfären att trycket inåt minskar och de brinnande skalen slocknar.

Vi kan lista ut vad som händer inuti stjärnan genom att mäta hur gasens sammansättning förändras på ytan. Vissa röda jättar, som R Sculptoris, har ovanligt höga halter kol i atmosfären och kallas därför kolstjärnor. Gasen i och runt kolstjärnorna består till stor del av olika kolhaltiga molekyler och innehåller kolrikt stoft eller sot.

Kolstjärnorna bildas stötvis, i återkommande processer, så kallade termiska pulser. En termisk puls sker djupt nere i stjärnans inre. Plötsligt ökar ett av skalen sin förbränning explosivt. Helium bränns till kol, och enorma mängder energi frigörs. Energin transporteras snabbt upp till ytan, och stjärnans ljusstyrka, liksom stjärnvinden, ökar dramatiskt.

Termiska pulser inträffar ungefär någon gång på tiotusen år och det behövs många pulser för att skapa en kolstjärna. En röd jättestjärna kan hinna med ett hundratal termiska pulser innan den dör. Ju fler termiska pulser en stjärna hinner med innan den dör, desto större blir den totala mängden olika ämnen som bildas.

Under sent 1980-tal upptäckte astronomerna att några kolstjärnor omges av stora, välavgränsade skal. Skalen är mycket större än den röda jättestjärnan och innesluter både stjärnan och dess gashölje. Redan när skalen upptäcktes föreslog forskarna att termiska pulser låg bakom.

Pulsens kraftfulla vind blåser igenom den äldre gasen som är på väg bort från stjärnan och plöjer upp material som bildar ett tunt skal. Detta förs utåt med vinden. Det är lätt att räkna ut hur gammalt ett skal är om man mäter hur stort det är och hur snabbt det färdas utåt. Flera av skalen som vi studerat är runt 1 000–2 000 år gamla och några få är ungefär 8 000 år gamla. Det stämmer bra med tidskalorna för termiska pulser.

Det var gasskalet runt R Sculptoris som vi ville observera när vi ansökte om observationstid på ALMA-teleskopet. Vindar runt röda jättar innehåller både gas och stoft. Gasmolekylerna och stoftet strålar vid olika våglängder, och genom att rikta teleskopet mot olika delar av det utstrålade ljuset kan vi titta på olika komponenter av vinden.

Stoftskalet runt R Sculptoris har tidigare observerats med Hubbleteleskopet och bilden visar ett bubbligt, tunt skal fullt av klumpar och ojämnheter.

Genom att observera gasskalet med ALMA hoppades vi kunna säga något om hur gasen och stoftet samverkar och därmed bättre kunna förstå hur vinden uppkommer. Vi ville också mäta halterna av olika varianter av kol, kolisotoper, i gasen närmast stjärnan och längre ut i skalet. Genom att jämföra halterna på olika ställen i vinden hoppades vi kunna bekräfta att skalet verkligen uppkommit i samband med en termisk puls. Eller, möjligen, skulle vi kunna upptäcka om det kanske kunde vara något annat som ligger bakom skalen.

Observationerna av R Sculptoris blev ett av de första vetenskapliga projekten som gjordes med ALMA, och resultaten visade något helt oväntat. Vi har hela tiden trott att stjärnan är omgiven av ett jämnt hölje av gas och stoft som sakta tunnas ut. Längre ut borde vi finna det distinkta, tunna skalet. Men nu visade våra nya mätningar att stjärnan omges av en spiral. Den består av samma material som resten av vinden och sträcker sig mellan stjärnan och skalet. Vi tror att spiralen har uppkommit av att en mindre kompanjonstjärna roterar runt R Sculptoris och samtidigt drar till sig vinden.

Våra beräkningar visar att den röda jätten genomgick en termisk puls för 1 800 år sedan. Den pågick i 200 år, och under tiden blåste stjärnan ut ungefär 30 gånger så mycket material som under de föregående 200 åren. Vi har kunnat bestämma hur vinden varierar före, under och efter den termiska pulsen med mycket större noggrannhet än om stjärnan inte hade omgetts av en spiral, eftersom vi kan se variationer i materialets täthet tydligare. Med hjälp av ALMA-mätningarna av R Sculptoris har vi kunnat visa att ungefär tre gånger så mycket material produceras under en termisk puls än vad man tidigare har trott.

Eftersom stjärnan ligger så långt borta har det inte tidigare varit möjligt att skilja strålning från vinden nära stjärnan från den som skalet strålar ut. Och detta är nödvändigt för kunna se hur halterna av olika ämnen förändrats över tid. Med ALMA kan vi nu göra tillräckligt detaljerade mätningar.

Mätningarna av halterna av olika kolisotoper i vinden nära stjärnan och längre ut i skalet bekräftar att skalet har bildats genom en termisk puls. Den vanligaste isotopen av kol, kol-12, är den som i huvudsak bildas i röda jättar och dras upp till ytan i samband med den termiska pulsen. Med våra nya mätningar ser vi att den relativa halten av kol-12 jämfört med den mer sällsynta varianten, kol-13, har ökat kraftigt efter den termiska pulsen som skapade skalet.

Jämfört med observationerna av R Sculptoris som vi gjorde i oktober förra året har ALMA nu mer än tre gånger fler antenner, drygt 40 stycken, som kan flyttas över ett större område. Det innebär att teleskopet nu är betydligt känsligare och att vi kan se ännu finare detaljer.

Vi kommer att följa R Sculptoris igen nu under våren eller sommaren, och den här gången har vi ansökt om tid för att med hjälp av ALMA:s utökade prestanda titta på gasen allra närmast stjärnan. Vi vill försöka se hur gasen rör sig mellan de två stjärnorna och mäta hur dess sammansättning har förändrats efter den senaste termiska pulsen för nästan 2 000 år sedan.

R Sculptoris är en av en handfull stjärnor som råkar befinna sig i precis rätt utvecklingsfas för att vi ska kunna direkt observera hur nya grundämnen bildas. Den ger oss därför en unik möjlighet att försöka förstå processer som i det långa loppet är avgörande för att nya stjärnor och planetsystem och nytt liv ska kunna skapas i universum.

Om forskaren: Sofia Ramstedt

Sofia Ramstedt är postdoktor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

Hon forskar om stjärnvindar runt röda jätte­stjärnor och om vindens kemiska sammansättning. Forskningen finansieras av Schönbergstipendiet.