Mai mult decât văd ochii: cum telescoapele spaţiale privesc dincolo de curcubeu Understand article

Author(s): Claudia Mignone, Rebecca Barnes

Tradus de Mircea Băduţ. Cum cercetează astronomii ciclul de viaţă al stelelor? La Agenţia Spaţială Europeană, aceasta se face folosind misiunile cosmice care observă cerul în spectrele vizibil, ultraviolet şi infraroşu – aşa cum descrie acest articol, al patrulea dintr-o serie de…

30 Doradus, cunoscută şi
ca ‘Nebuloasa Tarantula’,
în lumină ultravioletă,
viziblă şi infraroşie
Pentru imagine mulţumim ESA
/ Hubble & NASA

Când privim cerul nopţii, peisajul cosmic pe care îl vedem este definit de stele. Deşi majoritatea ne apar ca luminiţe albe, unele sunt colorate. Un exemplu frapant poate fi văzut (chiar şi cu ochii) în constelaţia Orion, vânătorul: umărul lui drept este steaua roşie supergigantă Betelgeuse, iar genunchiul stâng este constituit din supergigantica albastră Rigel.

Culorile se datorează diferenţelor de temperatură ale suprafeţelor^w1: stelele mai fierbinţi emit majoritatea luminii în regiunile albastru şi ultraviolet ale spectrului electromagnetic, în timp ce stelele mai reci radiază în lungimi de undă mai mari, în regiunile roşu sau infraroşu (vedeţi Mignone & Barnes, 2011a).

Punctaţi pe imagine pentru
a o mări. Aceste două
imagini demonstrează cum
observaţiile captate în
lumina vizibilă şi în
infraroşu revelează imagini
foarte diferite ale aceluiaşi
obiect cosmic. În imaginea
de jos, preluată în lumină
infraroşu-apropiat,
coloana densă de gaz şi
vecinătăţile ei verzui au
dispărut. Penetrând gazele
şi praful stelar, imaginea
în infraroşu a lui WFC3
dezvăluie steaua
embrionară ce probabil
aruncă jeturi de
gaze/energie.
Pentru imagine mulţumim
NASA, ESA, şi echipei Hubble
SM4 ERO

Însă ce face ca o stea să fie mai rece sau mai fierbinte? Aici sunt doi factori principali: stadiul (vârsta) stelei în ciclul de viaţă stelar, şi masa acesteia. Masa este importantă deoarece determină durata în care steaua îşi consumă combustibilul nuclear: stelele mai mari ard mai rapid, producând temperaturi mai înalte.

Pentru a sonda modul în care stele de diverse mase evoluează de-a lungul vieţii lor, ar trebui să le urmărim emisiile luminioase dinspre ultraviolet (UV) până la infraroşu (IR). Însă o mare parte din aceste lungimi de undă sunt blocate de atmosfera Pământului, iar restul poate fi afectat de turbulenţe atmosferice, astfel că telescoapele spaţiale (destinate a ieşi în cosmos) s-au dovedit unelte crciale pentru investigarea modului în care se formează şi evoluează stelele.

Agenţia Spaţială Europeană (ESA)^w3 a derulat mai multe misiuni spaţiale al căror scop a fost studierea acestui domeniu extins de lungimi de undă – cele mai notabile fiind Observatorul Spaţial Infraroşu şi Observatorul Spaţial Herschel, ambele conţinând telescoape infraroşu mari –, dar a şi participat la o serie de proiecte comune cu alte agenţii spaţiale. Astăzi, observatorul spaţial cu raze X al ESA (XMM-Newton) este echipat şi cu un telescop foarte sensibil lucrând în spectrul vizibil şi în UV, numit Optical Monitor (vedeţi Mignone & Barnes, 2011b). Folosind astfel de observaţii, astronomii au putut defini un model consistent privind stagiile din viaţa stelelor, cu fiecare stagiu de pe traseul dintre naştere şi stingere depinzând de masa stelei.

Stelele masive

Deşi sunt relativ rare, stele de masă mare sunt cele mai strălucitoare şi mai fierbinţi dintre toate, şi sunt cel mai bine observate la lungimile de undă mai scurte şi cu energie mai înaltă din domeniul UV şi albastru-vizibil. Astfel de stele au mase de cel puţin opt ori mai mari decât Soarele şi temperaturi la suprafaţă de 10000 de grade Kelvin sau mai mult, dar ele îşi consumă rezerva de hidrogen mai repid decât o stea cu masa mică: adică în câteva zeci de milioane de ani, în comparaţie cu miliardele de ani ai stelelor precum Soarele. În decursul vieţii, stelele cu masă mare produc ‘vânturi’ puternice (fluxuri de particule energetice) care pot declanşa ori pot bloca formarea altor stele în vecinătăţi. Folosind date furnizate de satelitul IUE (Exploratorul Ultraviolet Internaţional), astronomii au descoperit că o mare parte din masa stelei mari este spulberată de aceste vânturi, ce par a se înteţii odată cu îmbătrânirea stelei.

Punctaţi pe imagine pentru a o mări.
Spectrul electromagnetic. Culorile evidenţiază regiunile ultravioletă, vizibilă şi infraroşie observate de telescoapele spaţiale ale ESA (rezultate inclusiv din colaborări cu alte agenţii spaţiale)
Pentru imagine mulţumim ESA/ ATG Medialab

Figura 1: Imagine de la
telescopul Hubble a
supernovei SN 1987A în
spectrul vizibl şi în lumină
near-IR
Pentru imagine mulţumim ESA
/ Hubble & NASA

Către finele vieţii, steaua masivă se extinde rapid şi devine o gigantă roşie, ori o supergigantă, precum Betelgeuse din constelaţia Orion. Având diametre foarte mari şi temperaturi joase la suprafaţă, aceste stele gigant radiază în special în regiunea undelor mai lungi ale spectrului vizibil (roşu) şi în infraroşu. În cele din urmă ele explodează, ca supernove (vedeţi Székely & Benedekfi (2007) pentru mai multe informaţii privind moartea stelelor).

Pe 23 februarie 1987 ajungea la noi lumina de la explozia unei supernove din Norul lui Magelan. Comparând datele de la IUE de dinainte şi de după explozie, astronomii au identificat steaua progenitoare – şi s-a aflat că este mai degrabă o stea albastră, decât una roşie, supergigantă. Înainte de 1987 astronomii credeau că numai supergigantele roşii pot exploda ca supernove, dar această observaţie a dovedit că şi alte tipuri de stele evoluate pot produce astfel de explozii.

Supergigantele albastre sunt mai mici şi mai dense decât corespondentele lor roşii; un exemplu este Rigel din constelaţia Orion. De atunci, astronomii au tot studiat efectele exploziei. Lumina degajată de supernovă încălzeşte gazele şi praful din vecinătate, făcând-o să strălucească în lungimi de undă vizibile, în timp ce praful mai rece produs de explozie străluceşte în lungimi de undă IR (figura 1).

Stelele uşoare

Figura 2: Telescopul
spaţial Hubble a descoperit
că nebuloasele planetare
au o varietate mare de
forme. Avem aici, văzută în
spectrul vizibil, o
nebuloasă planetară (NGC
5882) remarcabil de
asimetrică
Pentru imagine mulţumim ESA
/ Hubble & NASA

Vasta majoritate a stelelor au mase relativ mici, similare cu cea a Soarelui sau chiar mai mici. Cu temperaturi la suprafaţă cuprinse între 4000 şi 10000 K, aceste stele domină spectrul vizibil, strălucind în galben, portocaliu şi roşu. Ele îşi consumă hidrogenul mai lent decât stelele masive, având longevităţi de zeci de miliarde de ani. Dar şi stelele cu mase mici devin gigantice roşii către sfârşitul vieţii, expandându-se şi răcindu-se la suprafaţă. La final, ele îşi expulzează straturile exterioare, producând învelişuri expansive de gaze numite nebuloase planetare (figura 2). În cele din urmă acestea se împrăştie şi lasă loc unor obiecte fierbinţi şi compacte numite ‘pitice albe’.

În galaxia noastră, Calea Lactee, cele mai multe stele au mase chiar şi mai mici – pe jumătate cât Soarele, sau mai puţin – cu suprafeţe mai reci şi radiind în principal lumină cu cele mai scurte lungimi de undă infraroşii, lungimi numite ‘near-IR’ (infraroşu-apropiat).

Moartea unei astfel de stele cu masă foarte mică nu a fost încă observată, deoarece vârsta Universului însuşi este mai mică decât durata lor de viaţă: mii de miliarde de ani, sau poate mai mult.

Materia cea mai rece din Univers străluceşte în lungimile de undă infraroşu-îndepărtat – radiaţie urmărită de telescopul spaţial Herschel, şi respectiv în lungimile de undă specifice microundelor – radiaţia urmărită de Planck, un satelit ce a fost lansat în 2009 odată cu Herschel. În următorul nostru articol vom descrie modul în care aceste două misiuni ne ajută să ne îmbogăţim înţelegerea privitoare la formarea stelelor din Univers.

Formarea stelelor şi praful cosmic

Stelele se alcătuiesc din mediul interstelar – o mixtură difuză de gaze şi praf cosmic constituind rezervorul galactic pentru formarea de stele. Praful absoarbe lumina din spectrul vizibil dar este transparent pentru lungimile de undă ‘near-IR’, astfel că astronomii folosesc domeniul ‘infraroşu-apropiat’ pentru a privi prin praful cosmic spre a vedea în acţiune asemenea procese complexe, precum formarea de discuri proto-planetare în jurul stelelor nou-născute. Aceste discuri, văzute pentru prima oară prin telescopul Hubble, sunt seminţe ale viitoarelor sisteme planetare, precum Sistemul nostru solar (figura 4). Proto-stelele, care încă nu au ajuns la temperatura stelelor mature, radiază lumină puternică tot în lungimi de undă infraroşu. Praful cosmic însuşi străuceşte puternic la lungimi de undă mari (infraroşu mediu şi infraroşu îndepărtat) datorită temperaturii sale joase. Urmărind aceste lungimi de undă, astronomii pot vedea acest material prăfos interstelar atât în propria galaxie cât şi dincolo de aceasta, material constituind o avanpremieră a viitoarelor stele (figura 5). Observaţiile în infraroşu au detectat şi molecule jucând un rol esenţial în reacţiile chimice de la formaea stelei – precum moleculele de apă interstelară, revelate iniţial de Obsevatorul spaţial în infraroşu la sfârşitul anilor 1990. Astăzi astronomii continuă să dezvăluie complexa compoziţie chimică a regiunilor de formare a stelelor prin explorarea bogatelor colecţii de date adunate de observatorul spaţial Herschel.

Punctaţi pe imagine pentru a o mări.
Figura 4: Discul proto-planetar văzut în Nebuloasa Orion folosind date în spectrul vizibl şi near-IR (Hubble)
Pentru imagine mulţumim NASA / ESA / M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) / Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team / L. Ricci (ESO)

Figura 3: Stele în clusterul
globular Omega Centauri.
Această imagine combină
date cu lungimi de undă UV
(prezentate aici în albastru
şi verde) şi near-IR
(prezentate aici în roşu)
pentru a evidenţia
diferitele tipuri de stele
din cluster
Pentru imagine mulţumim
NASA / ESA / Hubble SM4 ERO
Team

Ciorchinii de stele

Aşa cum privesc la câte o stea, tot aşa astronomii studiază evoluţia stelelor de mărimi diferite uitându-se la grupuri mari de stele, numite cluster-e stelare^w2. Telescopul spaţial Hubble, cu acoperirea sa spectral largă de la UV la near-IR, furnizează imagini uimitoare ale acestor ciorchini de stele, redând larga varietate a stelelor din aceste grupări (figura 3). Astfel de imagini au condus la descoperiri remarcabile. De exemplu, înainte de Hubble astronomii credeau că stelele din cluster-ele globulare (ciorchini stelari formaţi în perioadele în care galaxia noastră încă se modela) s-au născut toate în acelaşi timp. Imaginile furnizate de Hubble au arătat că stelele constituente s-au format pe durata unor episoade distincte, iar cluster-ele globulare sunt mult mai complexe decât se credea anterior. Alte observaţii de la Hubble au confirmat că stelele mai albastre (deci mai masive) tind să se afunde spre centrul cluster-ului globular, în timp ce stelele mai mici (şi mai roşii) se deplasează către periferie – o idee care a fost prezisă anterior de teorie, dar nu fusese confirmată până acum.

star formation — Punctaţi pe imagine pentru a o mări.
Figura 5: Formarea stelei dezvăluită prin observaţii făcute la diverse lungimi de undă (galaxia M51). Imaginea UV (a) arată cele mai fierbinţi şi mai masive stele; imaginea în spectrele vizibil/IR-apropiat (b) afişază stelele cu masă redusă; iar imaginile în IR-mediu (c) şi IR-depărtat (d) prezintă praful cosmic din care se vor forma viitoarele stele.
Pentru imagine mulţumim: Marco Iacobelli (XMM-Newton SOC) şi ESA [a]; NASA, ESA, S. Beckwith (STScI), şi The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) [b]; ESA/ISO, CEA Saclay şi Consorţiul ISOCAM [c]; ESA şi Consorţiul PACS [d]

Mai multe despre ESA

Agenţia Spaţială Europeană (ESA)^w3 Agenţia Spaţială Europeană (ESA)w3 este poarta Europei către cosmos, organizând programe de cercetare pentru a afla mai multe despre Pământ, despre spaţiul din vecinătatea sa, despre Sistemul solar şi despre Univers, şi cooperând totodată la activităţile de explorarea a spaţiului cosmic de către om, la dezvoltarea de tehnologii bazate pe sateliţi şi servicii spaţiale, ori la promovarea industriei europene. Directoratul pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică este devotat programelor ESA pentru cercetarea cosmosului şi pentru explorarea robotică a Sistemului solar. În aventura de cunoaştere a Universului, a stelelor şi planetelor, a originii vieţii înseşi, sateliţii spaţiali ai ESA privesc în adâncurile cosmosului căutând cele mai depărtate galaxi, ori studiind Soarele în detalii nemaivăzute, sau explorând planetele din vecinătate.
ESA este membră a EIROforum^w4, editorul magazinului Science in School.

References

Mignone C., Barnes R. (2011a) Mai mult decât văd ochii: spectrul electromagnetic. Science in School 20: 51-59.
Mignone C., Barnes R. (2011b) More than meets the eye: unravelling the cosmos at the highest energies. Science in School 21: 57-64.
Székely P., Benedekfi Ö. (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies…. Science in School 6: 64-68.

Web References

w1 – Aflaţi cum lungimea de undă la care obiectele celeste îşi emit lumina este legată de temperatura obiectului.
w2 – Aflaţi mai multe despre cluster-ele de stele.
w3 – Pentru mai multe informaţii despre Agenţia Spaţială Europeană, vizitaţie web-site-ul ESA.
w4 – Aflaţi mai multe despre EIROForum.

Resources

Pentru a studia despre astronomia în spectrul vizibil de la ESA, urmăriţi Episodul 4 al vodcast-ului Science@ESA de pe web-site-ul ESA Science and Technology.
Pentru a afla mai multe despre astronomia în infraroşu de la ESA, urmăriţi Episodul 3 al vodcast-ului Science@ESA de pe web-site-ul ESA Science and Technology.
Se pot face câteva exerciţii practice despre cluster-ele globulare.
Căutaţi materialele educaţionale produse de ESA.
- Toate materialele educaţionale produse de ESA sunt disponibile gratuit profesorilor din cele 18 state membre ale ESA. Multe dintre ele sunt deja traduse în câteva limbi europene.
Se pot studia mai multe despre activităţile Directoratului pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică al ESA.

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium for ESA, este scriitor de ştiinţă pentru Directoratul pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică al ESA. Ea a absolvit astronomia la Universitatea din Bolonia, Italia, şi a obţinut titlul de doctor în cosmologie de la Universitatea din Heidelberg, Germania. Înainte de a se alătura ESA, a lucrat ca ofiţer de comunicare la Observatorul European din emisfera Sudică (ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations for ESA, este ofiţer de educaţie pentru Directoratul pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică al ESA. Ea a absolvit astrofizica la Universitatea din Leicester, Marea Britanie, iar anterior a lucrat în departamentele de educaţie şi comunicare al Centrului Naţional pentru Spaţiu al Marii Britanii. Pentru a afla mai multe despre activităţile educaţionale ale Directoratului pentru Ştiinţă şi Explorare Robotică al ESA, contactaţi-o pe Rebecca la SciEdu@esa.int

Review

Acest articol descrie ciclul de viaţă al stelelor şi câteva modalităţi de cercetare a comportamentului lor. Activităţile ştiinţifice se focalizează pe misiunile ESA şi pe rezultatele acestora.
Autorii explică într-un mod foarte interesant cum se leagă între ele masa stelelor, temperatura şi lungimea de undă a luminii emise, şi cum astfel de cunoştinţe pot fi aplicate într-o gamă largă de cercetări de astrofizică.
Articolul este util mai ales pentru lecţiile de fizică, cu focus particular pe astrofizică şi cosmogonie, dar conţine legături şi către geografie sau chiar spre limbaje.

Articolul poate stimula discuţii pornind de la o serie de întrebări/teme, precum:

Descrieţi diferenţele dintre ciclul de viaţă al stelelor masive şi cel al stelelor de masă mică.
Descrieţi pe scurt spectrul radiaţiei electromagnetice (gen: vizibil, infraroşu, ultraviolet).
Dezbateţi relaţia dintre lungime de undă, energie şi frecvenţă
Ce aduc în plus observatoare spaţiale faţă de cele terestre?
Care este relaţia dintre temperatura la suprafaţa stelelor şi culoarea (lungimea de undă a luminii) stelelor?
Cum depinde ciclul de viaţă al unei stele de masa sa?
Ce sunt cluster-ele de stele?
Ce se întâmplă cu stelele masive la sfârşitul vieţii lor?

Gerd Vogt, Şcoala Superioară Secundară pentru Mediu şi Economie, Yspertal, Austria

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF