Nya observationer med ALMA, en klunga av hopkopplade radioteleskop i Chile, fördjupar vår kunskap om hur stjärnor liknande solen slutar sina liv. När en sollik stjärna närmar sig sin sista tid i livet sväller den till en röd jätte och förlorar under några miljoner år sitt yttre hölje i allt snabbare takt. Detta utströmmande material kan skifta mycket i form och struktur. Data från ALMA visar att närvaron av följeslagarstjärnor kan hjälpa till att förklara hur de utsökta strukturerna bildas.

De flesta stjärnor vi ser på himlen är i full gång med att förbränna väte i sitt innersta. Denna process bildar helium och utvinner energi som får stjärnan att lysa. Sådan väteförbränning pågår under större delen av en stjärnas liv. Stjärnor som bildas med en massa från knappt en och upp till åtta gånger solens massa följer sedan (i grova drag) denna utveckling:

När vätet i kärnan tagit slut dras kärnan samman, stjärnans yttre delar sväller och stjärnans yttemperatur sjunker. Den har blivit en röd jätte, med en radie jämförbar jordbanans. I stjärnans innersta stiger temperaturen, vilket tillåter förbränning av helium, med syre och kol som slagg. När inget helium finns kvar i kärnan forsätter helium- och väteförbränningen i olika skikt runt en kärna av kol och syre.

Pulserande stjärnor med starka vindar 

Under hela denna utveckling flyttar sig stjärnan i Hertzsprung–Russell-diagrammet, som visar hur stjärnornas färger och absoluta ljusstyrkor förhåller sig till varandra. De röda jättestjärnor som nått stadiet av heliumförbränning runt en kärna av syre och kol befinner sig på den så kallade ”asymptotiska jättegrenen” (förkortas AGB på engelska) i diagrammet, vilket givit dessa stjärnor beteckningen AGB-stjärnor. Solen kommer att nå AGB-stadiet om knappt 8 miljarder år, enligt Schröder och Smith, och jordytan kommer då att vara obeboelig.

Massförlusten från AGB-stjärnor är ymnig, med stjärnvindar som varje år kan föra bort ca 10 miljoner gånger mer material än vad vår nuvarande solvind gör. Dessutom pulserar AGB-stjärnor, ofta med perioder på några hundra dygn. Tiden som AGB-stjärna är kort (”bara” några miljoner år) och den allt starkare stjärnvinden lyfter bort stjärnans yttre lager. Dessa skingrade yttre lager bildar med tiden en planetarisk nebulosa och lämnar kvar en vit dvärgstjärna, i form av den inaktiva kol-syre-kärnan.

NGC 6302 och NGC 7027 (NASA, ESA, och J. Kastner (RIT))
Exempel på hur olika planetariska nebulosor kan se ut. Vi ser här de planetariska nebulosorna NGC 6302 i Skorpionen och NGC 7027 i Svanen, båda belägna ca 3000 ljusår från oss. Bilderna bygger på observationer gjorda 2019-2020 med rymdteleskopet Hubble. Det vänstra synfältet är ca 2 bågminuter brett, det högra ca 1 bågminut. Namnet ”planetarisk nebulosa” är en historisk kvarleva, då observatörer på 1700-talet tyckte att objekten sedda i teleskopet liknade planeter. Bild: NASA, ESA, och J. Kastner (RIT)

Planetariska nebulosor har inbördes olika former och strukturer, där utsökta former och mönster observerats. Detta har Rebecca Forsberg tidigare skrivit om för Populär Astronomi. De flesta AGB-stjärnor blåser stjärnvindar som på stora skalor tidigare antogs ha sfärisk karaktär, men endast en minoritet av de planetariska nebulosorna är sfäriska. Hur kan det hänga ihop?

Bild: ALMA/ESO
Några antenner i ALMA. Bild: Y. Beletsky (LCO)/ESO

Ett forskarlag, lett av Leen Decin vid belgiska KU Leuven, har använt de sammankopplade antennerna i ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) i Chile för att i mm-våglängder (på gränsen mellan radio och infrarött) under 2018 och 2019 observera 14 AGB-stjärnor i jakt på svaret. Vid dessa våglängder syns strålning från kolmonoxid och kiselmonoxid bra, och med dessa ämnen som markörer kartlades strukturen i stjärnvindarna. Observationer av ett så stort urval av AGB-stjärnor vid hög upplösning och med samma utrustning hade inte gjorts förut.

Resultaten presenteras i en artikel i tidskriften Science. I en film på YouTube berättar Leen Decin själv om arbetet. Ulrika Engström (SVT) intervjuade Hans Olofsson vid Onsala rymdobservatorium om resultaten.

Följeslagare sätter sina spår

Ingen av de avbildade AGB-stjärnorna visade på massförlust med mjukt, sfäriskt utseende, enligt Decin och hennes kollegor. Snarare syntes former och strukturer som påminner om de som är vanliga i planetariska nebulosor. Hos vissa av stjärnorna syns koniska former (tydlig midja och framträdande poler) i massförlusten, medan andra stjärnor omges av material med spiralstrukturer och bågar. 

L.Decin/ESO/ALMA
De AGB-stjärnor som Leen Decin och hennes kollegor observerat med ALMA visas här med färgsättning där blått betyder material i rörelse mot oss, medan rött betyder material på väg bort från oss. Bilderna visar strålning från molekylen kolmonoxid. Själva stjärnan syns i mitten av varje bild. Lägg märke till de utsökta strukturerna i materialet runt stjärnorna! Stjärnornas namn anges i respektive ruta och synfälten i bilderna är i regel 5-10 bågsekunder tvärs över, vilket vid stjärnornas avstånd motsvarar flera hundra gånger jordbanans storlek. Bild: L. Decin/ESO/ALMA

Genom de nya bilderna, av AGB-stjärnor i olika stadier, kunde forskarlaget ringa in hur övergången från snällt, sfäriskt utseende övergår till de mer avancerade mönster som syns i planetariska nebulosor. I sin artikel pekar forskarna på ett samband mellan hur ymnig massförlusten är och vilket mönster som syns i gasen runt stjärnan. Koncentration av material till ett ekvatorsplan verkar vara vanligare för AGB-stjärnor med svagare massförlust (t.ex. S Pav) medan de med ymnigast massförlust ofta har spiralstruktur i den omgivande gasen (t.ex. GY Aql, eller R Aql som hamnade på veckans bild hos ESO).

En del av de utsökta mönstren orsakas av att en följeslagarstjärna (alternativt en brun dvärg eller planet) rör sig genom AGB-stjärnvinden, enligt tolkningen av Decin och gruppen. De nya resultaten underlättar förståelsen av utvecklingen från AGB-stjärna till planetarisk nebulosa och kommer att förbättra de teoretiska modellerna av AGB-massförlust. Vi får därmed ökad klarhet i vad som väntar vår egen sol om några miljarder år.

AGB-stjärnor från svensk horisont

I det svenska astrolandskapet är AGB-stjärnor extra populära på hallandskusten och vid Fyrisån. Onsala rymdobservatorium har två medförfattare i den nya AGB-studien (Elvire de Beck och Theo Khouri) och är dessutom värdar för ALMAs nordiska användarcentrum. Ingen astronom från Uppsala universitet deltar i just den nya studie som Decin lett, men från uppsaliensiskt håll görs andra studier av AGB-stjärnor med hjälp av ALMA.

Cetus (Wikimedia/Creative Commons)
Mira och dess plats i stjärnbilden Valfisken (Cetus på latin). Denna stjärnbild står i sydost på höstens kvällshimmel. Bild: Wikimedia/Creative Commons

Vi andra, som inte har tillgång till 66 sammankopplade radioteleskop på en chilensk högplatå, vad kan vi ta oss till? Den troligen mest berömda AGB-stjärnan, Mira i stjärnbilden Valfisken, står bra till på höstens kvällshimmel. Just hösten 2020 är Mars till hjälp för den som vill hitta Mira: Vår yttre grannplanet rör sig under oktober drygt 10 grader nordväst om Mira på himlen. 

Mira växlar ljusstyrka med en period på 332 dygn och når ett maximum i slutet av september. Som ljusast lyser Mira med magnitud 3, enkel att få syn på för blotta ögat. Sedan avtar Mira sakta i ljusstyrka, för att fram på vårkanten (medan Valfisken försvinner i skymningsljuset) bli osynlig för blotta ögat och dyka mot sitt minimum runt magnitud 9. Genom att jämföra med omgivande stjärnor kan man lättare uppfatta hur Mira dalar i ljusstyrka. Med blotta ögat och litet tålamod kan man alltså, år efter år, följa det majestätiska pulserandet hos denna framträdande AGB-stjärna. ALMA eller ej, det finns AGB-stjärnor för alla!