Новая технология астрономов измеряет температуру звезды с высокой точностью

Исследовательская группа обнаружила очень большие изменения температуры в AU Microscopii, очень активной звезде, окруженной диском пыли и имеющей по крайней мере одну вращающуюся вокруг нее планету, силуэт которой виден здесь. Автор: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STSCI)

Астрономы изучают звезды, наблюдая за различными цветами света, которые они излучают — цвета, которые они улавливают и анализируют с помощью спектроскопии. Теперь группа под руководством Этьена Артиго из Монреальского университета разработала метод, который использует спектр звезды для составления карты изменений ее температуры с точностью до десятой доли градуса Цельсия в различных временных масштабах.

«Отслеживая температуру звезды, мы можем многое узнать о ней, например, о ее периоде вращения, ее звездной активности, ее магнитном поле», — пояснил Артиго, астрофизик из Института исследований экзопланет имени Тротье (IREx) при Университете Монреаля. «Такие подробные знания также необходимы для поиска и изучения планет звезды».

Лучшая методика анализа спектров

Ученые сначала обратили внимание на звездные спектры, чтобы улучшить обнаружение экзопланет с помощью лучевой скорости. Этот метод измеряет небольшие колебания в звезде, вызванные гравитационным притяжением вращающейся планеты. Чем сильнее колебания, тем больше планета.

Но трудно обнаружить очень малые колебания и, следовательно, планеты с малой массой. Чтобы преодолеть эту проблему, Артиго и его команда разработали технику, использующую метод лучевой скорости, который анализирует полный спектр звезды, а не только несколько частей, как это делалось ранее с помощью этого метода.

Это позволяет обнаруживать планеты размером с Землю, вращающиеся вокруг небольших звезд. Затем Артиго придумал идею использовать похожую стратегию для обнаружения не только изменений в колебаниях звезды, но и ее температуры.

Различение звезд и их планет

Измерения температуры имеют решающее значение в поиске экзопланет, которые в основном наблюдаются косвенно, путем пристального отслеживания их звезд. В последние годы астрономы столкнулись с серьезным препятствием: как отличить наблюдаемые эффекты звезды от ее планет.

Это проблема как при поиске экзопланет с использованием лучевой скорости, так и при изучении их атмосфер с помощью транзитной спектроскопии.

«Очень сложно подтвердить существование экзопланеты или изучить ее атмосферу без точного знания свойств звезды-хозяина и того, как они меняются со временем», — пояснил Шарль Кадье, докторант IREx, принявший участие в исследовании.

«Эта новая технология дает нам бесценный инструмент для обеспечения надежности наших знаний об экзопланетах и для улучшения наших характеристик их свойств».

Непревзойденная точность

Температура поверхности звезды — это базовое свойство, на которое полагаются астрономы, поскольку оно может быть использовано для определения светимости и химического состава звезды. В лучшем случае точная температура звезды может быть известна с точностью около 20°C.

Однако новый метод измеряет не точные температуры, а изменение температуры с течением времени, что можно определить с поразительной точностью.

«Мы не можем сказать, составляет ли температура звезды 5000 °C или 5020 °C, но мы можем определить, увеличилась ли она или уменьшилась на градус, даже на долю градуса — этого никто никогда не делал раньше», — сказал Артиго.

«Определить столь мельчайшие изменения температуры в человеческом теле — непростая задача, поэтому представьте, каково это для газообразного шара с температурой в тысячи градусов, находящегося на расстоянии десятков световых лет от нас».

Беспрецедентные сведения о четырех звездах

Чтобы продемонстрировать работоспособность своего метода, исследователи использовали наблюдения, полученные с помощью спектрографа SPIRou на телескопе Канада-Франция-Гавайи и спектрографа HARPS на 3,6-метровом телескопе ESO.

В данных, полученных этими двумя телескопами для четырех небольших звезд в окрестностях Солнца, команда смогла четко увидеть изменение температуры, которое они приписали либо вращению звезды, либо событиям на ее поверхности или в окружающей среде.

С помощью этой техники им удалось измерить не только очень быстрые изменения температуры, связанные с короткими периодами вращения продолжительностью в несколько дней, как, например, у AU Microscopii и Epsilon Eridani, но и те, которые происходят в течение гораздо более длительных периодов времени, что является сложной задачей для наземных телескопов.

«Мы смогли измерить изменения в несколько градусов или меньше, происходящие в течение очень длительных периодов, например, связанных с вращением звезды Барнарда, очень тихой звезды, которой требуется пять месяцев, чтобы завершить полный оборот», — объяснил Артиго. «Раньше нам пришлось бы использовать космический телескоп Хаббл, чтобы измерить столь тонкие и медленные изменения».

Новая техника также позволила обнаружить очень тонкие изменения температуры на поверхности звезд. Например, команда обнаружила тонкие изменения температуры у звезды HD 189733, совпадающие с орбитой ее экзопланеты HD 189733 b, гигантской горячей планеты-Юпитера.

Открылись новые горизонты

Исследователи UdeM отмечают, что эта технология работает не только со SPIRou и HARPS, но и с любым спектрографом, работающим в видимом или инфракрасном диапазоне.

Инновационная технология будет напрямую применима к наблюдениям с NIRPS, спектрографа, установленного в прошлом году на телескопе ESO в Чили. По словам исследователей, эту технологию также можно будет использовать с космическими инструментами, такими как космический телескоп Джеймса Уэбба.

«Мощь и универсальность этого метода означает, что мы можем использовать существующие данные из многочисленных обсерваторий для обнаружения изменений, которые ранее были слишком малы, чтобы их можно было заметить, даже в очень длительных временных масштабах», — сказал Артиго.

«Это открывает новые горизонты в нашем изучении звезд, их активности и их планет».

Больше информации: Étienne Artigau et al, Measuring Sub-Kelvin Variations in Stellar Temperature with High-Resolution Spectroscopy, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.07260

Источник: University of Montreal