Dzięki obserwacjom TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), astronomowie utworzyli kolekcję intrygujących gwiazd z całego nieba. Są to pulsujące czerwone olbrzymy, których rytm zależy od fal dźwiękowych powstających w ich wnętrzu. Te z nich, które już odnaleźliśmy, stanowią pierwsze akordy całej symfonii, którą możemy odkryć w sąsiedztwie naszej galaktyki.

Głównym zadaniem TESS jest „polowanie” na światy poza naszym Układem Słonecznym, egzoplanety. Jednak dokładnie te same przyrządy sprawdzają się doskonale również w badaniu gwiazd, a konkretnie w dziedzinie nazywanej astrosejsmologią.

„Początkowe wyniki, pochodzące z pierwszych dwóch lat pracy TESS, dowodzą, że jesteśmy w stanie ustalić masę i rozmiary tych pulsujących gwiazd z precyzją, która będzie się tylko zwiększać.”, powiedział Marc Hon z Uniwersytetu Hawajskiego w Honolulu, należący do programu NASA Hubble Fellowship. „Ale najbardziej ekscytujące jest to, że zasięg TESS pozwala nam na wykonywanie pomiarów niemal na całym niebie”.

Hon zaprezentował badanie podczas drugiej Konferencji Naukowej TESS, wspieranej przez MIT, na której naukowcy przedyskutowali wszystkie aspekty misji.

Fale dźwiękowe rozchodzące się w dowolnym obiekcie – w strunie gitary, piszczałce organów czy we wnętrzu Ziemi lub Słońca – mogą się odbijać i oddziaływać między sobą. Jedne z nich wyciszą się, inne wzmocnią. Mogą w ten sposób powstać fale stojące, które odpowiedzialne są za dźwięki wydawane przez instrumenty muzyczne.

Tuż pod powierzchnią gwiazd takich jak Słońce, gorący gaz wznosi się, stygnie, a potem opada i znów się ogrzewa, bez końca. Ten ruch jest źródłem fal różnego ciśnienia – fal dźwiękowych – które oddziałują między sobą i w końcu powstają stabilne fale stojące o okresie kilku minut. Właśnie one wywołują subtelne zmiany jasności gwiazdy. W wypadku Słońca są one prawie niezauważalne, ale wielkie gwiazdy o masie bliskiej słonecznej pulsują wolniej, a zmiany jasności są o wiele większe.

Te niewielkie zmiany jasności Słońca zostały po raz pierwszy zaobserwowane w latach sześćdziesiątych. Na początku XXI wieku – dzięki teleskopowi CoRoT – odkryto tysiące innych gwiazd, gdzie również występowały. Następnym krokiem były misje Kepler i K2, i wtedy na niebie odnaleźliśmy dziesiątki tysięcy pulsujących w ten sposób gwiazd. Dzięki TESS ta liczba powiększyła się kolejne 10 razy. Nawet jeśli poszukiwane gwiazdowe olbrzymy stanowią tylko 1% wszystkich z nich, to wciąż jest wystarczająco dużo, by  przeprowadzać badania.

Skrzypce i wiolonczela różnią się już na pierwszy rzut oka – i tak samo różni się dźwięk, jaki wydają. Podobnie jest z gwiazdami. To, jak zmienia się ich jasność, zależy od tego, z czego się składają, jak są zbudowane, a także od ich wielkości. Właśnie dlatego astrosejsmologia może pozwolić określać podstawowe właściwości dużych ilości gwiazd z dokładnością, jaka wcześniej nie była możliwa.

Na filmie zostały przedstawione trzy gwiazdy, czerwone olbrzymy, oraz dźwięki, jakie powstają w ich wnętrzu.

Kiedy gwiazdy podobne do naszego Słońca ewoluują i zmieniają się w czerwone olbrzymy, ich zewnętrzna warstwa rozszerza się 10 lub więcej razy. Taka ogromna otoczka gazowa pulsuje wolniej i amplituda tej pulsacji jest większa, więc można ją zaobserwować dla wielu słabszych gwiazd.

TESS obserwuje za pomocą swoich czterech kamer duży fragment nieba przez około miesiąc, zanim przejdzie do kolejnego. W ciągu dwóch lat jej początkowej misji, wykonał zdjęcia około 75% całego nieba, a każda kamera rejestrowała obraz 24 na 24 stopnie co pół godziny. W 2020 roku tempo przyspieszyło i teraz jedno zdjęcie zabiera zaledwie 10 minut.

Uzyskane obrazy zostały użyte do wykonania wykresów zmieniającej się jasności dla prawie 24 milionów gwiazd w okresie 27 dni – to czas w jakim teleskop TESS jest zwrócony w stronę jednego fragmentu nieba. Żeby odsiać niepotrzebne w badaniu dane, komputer TESS został nauczony, jak rozpoznawać pulsujące olbrzymy. Została do tego wykorzystana technika nazywana uczeniem maszynowym – algorytm sam będzie się ulepszał wraz ze zdobytym doświadczeniem.

„Wytrenowany” na próbce 150 tysięcy gwiazd – z którym 20 tysięcy było szukanymi czerwonymi olbrzymami – komputer TESS odnalazł na niebie cały chór pulsujących olbrzymów, składający się z ponad 158 tysięcy gwiazd. Później dane przejęli naukowcy i połączyli je z innymi – odległością gwiazd od Ziemi, którą zapewniła misja Gaia (ESA), oraz ich masami. Gwiazdy bardziej masywne niż Słońce ewoluują szybciej i zmieniają się w czerwone giganty w młodszym wieku. Jednym z podstawowych przewidywań w astronomii galaktycznej jest to, że właśnie młodsze, cięższe gwiazd powinny znajdować się bliżej płaszczyzny galaktyki, która charakteryzuje się dużą gęstością gwiazd i jest widoczna na nocnym niebie jako jasna pręga.

„Nasza mapa po raz pierwszy ilustruje, że tak właśnie jest prawie na całym obszarze nieba.”, powiedział jeden z autorów badania, Daniel Huber z Uniwersytetu Hawajskiego. „Z pomocą misji Gaia, TESS wręcza nam bilety na koncert czerwonych olbrzymów.”

Misja TESS to część programu Explorer NASA, kierowana przez MIT w Cambridge Massachusetts, zarządzana przez Centrum Lotów Kosmicznych im. Roberta H. Goddarda. Partnerzy misji to między innymi Northrop Grumman Corporation, Ames Research Center (NASA), Smithsonian Astrophysical Observatory, Lincoln Laboratory (MIT), Space Telescope Science Institure w Baltimore. Uczestniczy w niej też kilkanaście uniwersytetów, instytutów badawczych i obserwatoriów na całym świecie.

Autor

Matylda Kołomyjec