Az RR Lyrae csillagok öreg, pulzáló csillagok, amelyek már a magjukban lévő héliumot használják üzemanyagként. Elődeik hasonlóak voltak a mi Napunkhoz, de mostanra jóval nagyobb és fényesebb égitestekké váltak. Mára már több százezer RR Lyrae csillagot ismerünk a Tejútrendszerben és környezetében, és segítségükkel tanulmányozhatjuk, hogyan fejlődött a galaxisunk a kialakulása óta. Egy alapvető mérést azonban mindeddig nem sikerült elvégezni: nem volt semmilyen jó módszerünk az RR Lyrae csillagok tömegének meghatározására.

Az RR Lyrae csillagok eloszlása az égbolton, az európai Gaia űrmisszió adatai alapján. A Tejútrendszer vastag korongja és a tisztán kivehető két Magellán-felhő mellett a Sagittarius törpegalaxis magja is megjelenik, mint kis függőleges folt a Tejútrendszer középpontja alatt. (Forrás: Gaia Collaboration (2022), Aladdin, H. Netzel)

Az RR Lyrae csillagok emellett pulzáló változócsillagok is, amelyek pulzálását a kappa-mechanizmus néven ismert “motor” hajtja: ez egy olyan folyamat, amelynek során a csillag belsejében egy részben ionizált héliumot tartalmazó, felszín alatti réteg befolyásolja a csillagmagból kilépő energia mennyiségét. Ez a réteg egyfajta szelepként működik, így a pulzáló csillagok burka periodikusan tágul és összehúzódik, ahogy a hullámok terjednek a belsejükben. Ezt pedig a csillagászok periodikus fényváltozásokként figyelhetik meg.

Az, hogy milyen hullámok terjednek egy adott csillagban, a belsejükben uralkodó fizikai viszonyoktól függ. Ennek eredményeképpen a csillag fizikai tulajdonságaira következtethetünk a pulzációból, hasonlóan ahhoz, ahogyan a Föld belsejét is vizsgálni lehet a szeizmológia segítségével. A csillagok esetében ezt a területet ezért csillagszeizmológiának nevezzük.

A csillagászok sokáig úgy gondolták, hogy az RR Lyrae csillagok egyszerű radiális pulzátorok: olyan csillagok, amelyek gömbszimmetriája megmarad a pulzáció során. Mivel ilyenkor csak egy, legfeljebb két pulzációs módus van jelen, nem igazán lehetett csillagszeizmológiai módszerrel vizsgálni őket, mivel ahhoz több azonosított módusra van szükség. Az elmúlt évtizedben azonban a nagyon pontos földi és űreszközökkel végzett megfigyelések forradalmasították az RR Lyrae csillagokról alkotott képünket. Ezek megmutatták, hogy az RR Lyrae csillagok további periodicitásokat is mutathatnak, csak nagyon kis amplitúdóval.

A radiális pulzáció (fent) okozza az RR Lyrae csillagok jellegzetes fényességváltozásait (középen). A nagy pontosságú fotometria azonban képes felfedni a nagy jel alatt rejtőző kis amplitúdójú, nem radiális pulzációk jeleit is (alul). (Forrás: Henryka Netzel (EPFL))

E módusok eredete sokáig ismeretlen volt, de a hasonló periodicitást mutató csillagok növekvő száma elvezetett egy új hipotézishez, amely arra a következtetésre jutott, hogy a megfigyelt jelek a 8. vagy 9. fokú nemradiális módusoknak köszönhetőek. Ez azt jelenti, hogy a felszínt 8 vagy 9 csomóvonal osztja fel ellentétesen mozgó szektorokra. Az ilyen magas fokú módusokról eddig a csillagászok azt gondolták, hogy egy távoli, felbontatlan felületű csillagnál már nem figyelhetők meg.

Mindazonáltal ezek az újonnan azonosított pulzációs módusok lehetőséget adtak arra, hogy csillagszeizmológiai módszereket alkalmazzunk az RR Lyrae csillagokra. Különösen a tömegmérés régóta fennálló problémájának megoldására, mivel egyelőre nem ismerünk olyan RR Lyrae csillagot, ami fedési kettőscsillag is, és így lehetővé tenné a tömeg közvetlen mérését. Szerencsére ezekkel a nemradiális módusokkal, amennyiben az elmélet helyesnek bizonyul, az RR Lyrae csillagok tömegét már csillagszeizmológiai módszerekkel is meg lehet becsülni.

És pontosan ezt végezték el a CSFK Konkoly Csillagászati Intézetének kutatói, Henryka Netzel, Molnár László és Meridith Joyce, hét jól ismert RR Lyrae csillag esetében. A Kepler, a TESS és a Gaia űrtávcsövek nagy pontosságú megfigyeléseit kombinálták a csillagpulzációs modellekkel, hogy teszteljék az RR Lyrae csillagok magas fokú módusai mögött álló elméletet. Először független megfigyelések segítségével meghatározták fizikai paraméterek, például a csillagok valódi fényességének vagy fémességének korlátait, hogy le tudják szűkíteni a vizsgálandó modellezési tartományt. Ezután a csillagpulzációs kóddal kiszámítottak egy modellhálót a különböző paraméterek (például a fényesség, a fémesség, a hőmérséklet és – ami a legfontosabb – a tömeg) mentén, és megvizsgálták, hogy az ilyen modellek mutatnak-e pulzációt, és ha igen, akkor milyenek a különböző módusok pulzációs periódusai. Végül megkeresték a csillagokra legjobban illeszkedő modelleket.

Az eredmények, amelyeket a vezető szerző, Dr. Netzel (jelenleg már a lausanne-i EPFL posztdoktora) és kollégái a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóiratban publikáltak, azt mutatják, hogy az RR Lyrae csillagok periodicitása sikeresen reprodukálható, ha az új jeleket 8–9. fokú nemradiális módusokként azonosítják. A szerzők a modellekből megbecsülték a vizsgált csillagok tömegét, amelyek 0,5 és 0,85 naptömeg között mozognak, jó összhangban a csillagfejlődési modellek előrejelzéseivel és más közvetett becslésekkel. A jövőben azt tervezik, hogy kiterjesztik ezt a kutatást, és felhasználják az új módszert más RR Lyrae pulzátorok tömegének meghatározására is. Így azok összehasonlíthatók lesznek például az RR Lyrae életszakasz előtti és utáni fejlődési fázisokban lévő csillagok tömegével.

A hét RR Lyrae csillag csillagszeizmológiai modellillesztésének eredményei a Hertzsprung–Russell-diagramon (csillagfényesség a felszíni hőmérséklet függvényében) ábrázolva. A kék és piros vonalak jelölik az instabilitási sáv széleit, amelyen belül a csillagok pulzálnak. A pontok a legjobban illeszkedő modellek pozícióit, a téglalapok pedig a bizonytalansági tartományokat jelölik. A színek az egyes csillagok becsült tömegét jelzik: amint az ábrán látható, a fényesebb RR Lyrae csillagok jellemzően nagyobb tömegűek is. (Forrás: Netzel et al. (2023) / MNRAS)

Forrás: Netzel, H., Molnár, L., Joyce, M.: Detailed asteroseismic modeling of RR Lyrae stars with non-radial modes, MNRAS, 2023

A szakcikk szabadon elérhető változata az arXivon. A kutatómunka az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-22-4 számú Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával készült.