Человечеству повезло иметь звезду, расположенную над северным полюсом Земли. Звезда, известная как Полярис, или Северная звезда, вела многих моряков в целости и сохранности к порту. Но Полярис — это захватывающая звезда сама по себе, не только из-за своего удачного положения.
Полярную звезду также называют Полярной звездой, и на самом деле это тройная звездная система. Главная звезда — желтый сверхгигант Полярная звезда Aa, находящийся примерно в 448 световых годах от нас, и вращается вокруг своей оси с меньшим спутником Полярная звезда Ab. Внешняя звезда называется Полярная звезда B и также может иметь тусклый спутник. В этой статье Полярная звезда относится к главной звезде Полярная звезда Aa.
Полярная звезда не всегда была Полярной звездой, и не всегда будет ею. Тубан была Полярной звездой с 4-го по 2-е тысячелетие до нашей эры, пока прецессия земной оси не отдала это положение Полярной звезде. Полярная звезда меняется в течение 26 000-летнего цикла, поэтому Тубан сменит Полярную звезду в 20346 году.
Но независимо от того, является ли Полярная звезда Полярной звездой в определенное время или нет, это интересный объект, свойства которого могут помочь нам понять расширение Вселенной.
Полярная звезда — переменная звезда, которая пульсирует и меняет яркость с течением времени. В частности, это переменная цефеида. Переменные цефеиды расширяются и сжимаются ритмично, а их яркость меняется по предсказуемой схеме. Поскольку существует прямая связь между их периодом пульсации и их светимостью, они полезны для измерения расстояний. Их называют «стандартными свечами», и они являются частью космической лестницы расстояний.
Астрономы используют стандартные свечи, чтобы помочь измерить постоянную Хаббла, или насколько быстро расширяется Вселенная. Но есть некоторая напряженность между нашими измерениями постоянной Хаббла. Когда мы используем локальные объекты, такие как переменные цефеиды, для измерения постоянной Хаббла, мы получаем другое число, чем когда мы используем для ее измерения более масштабные вещи, такие как космический микроволновый фон.
Поскольку Полярная звезда находится так близко к стандартной свече, группа астрономов использовала массив телескопов для наблюдения за звездой в течение 30 лет. Более точно наблюдая Полярную звезду и ее меньшего компаньона Полярную звезду Ab, они надеялись точнее ограничить массу Полярной звезды и другие ее характеристики. Это, в свою очередь, может помочь нам понять напряжение в постоянной Хаббла. Попутно исследователи обнаружили некоторые сюрпризы, окружающие эту давно наблюдаемую звезду.
Их результаты представлены в статье под названием «Орбита и динамическая масса Полярной звезды: наблюдения с массивом CHARA». Она опубликована в The Astrophysical Journal, а ведущим автором является Нэнси Эванс. Эванс — астрофизик в Центре астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт.
Чтобы лучше понять Полярную звезду, важно хорошенько рассмотреть ее тусклого компаньона. Но это не так-то просто сделать.
«Небольшое расстояние и большой контраст в яркости между двумя звездами делают чрезвычайно сложной задачу определения двойной системы во время их максимального сближения», — сказал Эванс.
Массив CHARA (Центр астрономии высокого углового разрешения) был построен для того, чтобы придать ясность таким объектам, как Полярная звезда и ее тусклый спутник. Это интерферометр, массив из шести отдельных телескопов, каждый с главным зеркалом диаметром один метр. Объединяя изображения с каждого отдельного телескопа, CHARA достигает более высокого разрешения телескопа с главным зеркалом диаметром 330 метров, области, охватываемой отдельными «скопами». CHARA имеет специальную камеру, разработанную для работы с ним, которая называется MIRC-X (Michigan InfraRed Combiner-eXeter).
С помощью этих инструментов астрономы отслеживали Полярную звезду и ее тусклый спутник в течение 30 лет. Они измерили, как переменная цефеида меняла размер по мере пульсации. Они узнали, что она в пять раз массивнее Солнца и имеет диаметр в 46 раз больше Солнца. Однако на измерение массы влияет большой эксцентриситет орбиты звезды, 0,63, поэтому все еще есть некоторая неопределенность относительно массы Полярной звезды.
Измеренная масса и светимость также показывают, что Полярная звезда более яркая, чем должна быть для звезды на ее эволюционном пути. «Полярная звезда по крайней мере на 0,4 зв. величины ярче, чем предсказанные пути», — пишут авторы в своей статье. Это важно из-за «проблемы массы цефеид». Это несоответствие между массами, выведенными из звездных эволюционных путей, и массами из расчетов пульсации.
Массу переменной цефеиды можно определить, когда она находится в двойных отношениях. «Определение массы начинается с орбиты лучевой скорости (RV) и кривой пульсации для двойной звезды, содержащей цефеиду», — объясняют авторы. Очень немногие переменные цефеиды находятся в двойных отношениях, таких как Полярная звезда, поэтому это важная цель для ограничения и понимания их масс. Все эти измерения важны, поскольку они связаны с космической лестницей расстояний, стандартными свечами и постоянной Хаббла.
«Точность входных данных любого из этих измерений зависит от многих характеристик звезды: яркости, орбитального периода, наклона, а также разделения, расстояния и соотношения масс компонентов. Это означает, что каждая система цефеид уникальна и должна анализироваться независимо», — объясняют авторы.
Наблюдения также выявили переменные пятна на поверхности звезды.
«На снимках CHARA видны большие яркие и темные пятна на поверхности Полярной звезды, которые менялись с течением времени», — сказала Гейл Шефер, директор CHARA Array.
«Идентификация звездных пятен согласуется с несколькими свойствами Полярной звезды», — пишут исследователи. Она отличается от других переменных цефеид, поскольку имеет очень низкую амплитуду пульсации. Это может означать, что ее атмосфера больше похожа на непеременный сверхгигант. Эти атмосферы часто кажутся активными, как и пятна на Полярной звезде. «Неясно, как пульсация полной амплитуды влияет на атмосферу и магнитное поле в пульсаторах, поэтому Полярная звезда — интересный тестовый пример», — объясняют они.
Пятна изменчивы, что может объяснить, почему астрономы с трудом идентифицировали другие «дополнительные периодичности» в звезде. Они также могли бы объяснить наблюдаемое ~120-дневное изменение лучевой скорости как период вращения.
Пятна на поверхности Полярной звезды усложнили ее структуру и требуют понимания.
«Мы планируем продолжить съемку Полярной звезды в будущем», — сказал соавтор исследования Джон Монье, профессор астрономии Мичиганского университета. «Мы надеемся лучше понять механизм, который генерирует пятна на поверхности Полярной звезды».
