Do tej pory prawdopodobnie usłyszysz, że astronomowie opracowali pierwszą globalną mapę pogody dla brązowego karła. (Jeśli nie, możesz znaleźć tę historię tutaj.) Być może zbudowałeś nawet model sześcianu lub model balonu origami na powierzchni brązowego karła Luhmana 16B, pod warunkiem (tutaj).
Ponieważ jednym z moich czapek jest urzędnik ds. Informacji publicznej w Instytucie Astronomii im. Maxa Plancka, gdzie odbywało się większość map, byłem zaangażowany w pisanie komunikatu prasowego na temat wyniku. Ale jeden aspekt, który uważałem za szczególnie interesujący, nie zyskał tam dużego zasięgu. Chodzi o to, że ten konkretny kawałek badań jest dobrym przykładem tego, jak szybka może być astronomia w dzisiejszych czasach, a bardziej ogólnie pokazuje, jak działają badania astronomiczne. Oto więc widok zza kulis - wymysł, jeśli chcesz - na pierwszą mapę powierzchni brązowego karła (patrz zdjęcie po prawej).
Podobnie jak w innych naukach, jeśli chcesz odnieść sukces jako astronom, musisz zrobić coś nowego i wykroczyć poza to, co zrobiono wcześniej. Właśnie o to chodzi w nowych wynikach do opublikowania. Czasami taki postęp napędzają większe teleskopy i stają się dostępne bardziej czułe instrumenty. Czasami chodzi o wysiłek i cierpliwość, takie jak badanie dużej liczby obiektów i wyciąganie wniosków z wygranych danych.
Pomysłowość odgrywa znaczącą rolę. Pomyśl o teleskopach, instrumentach i metodach analitycznych opracowanych przez astronomów jako o narzędziach w stale powiększającym się zestawie narzędzi. Jednym ze sposobów uzyskania nowych wyników jest połączenie tych narzędzi na nowe sposoby lub zastosowanie ich do nowych obiektów.
Dlatego nasza scena otwierająca nie jest niczym specjalnym w astronomii: pokazuje Iana Crossfielda, naukowca podoktoranckiego w Instytucie Astronomii Maxa Plancka oraz wielu kolegów (w tym dyrektora instytutu Thomasa Henninga) na początku marca 2013 r., Omawiających możliwość zastosowanie jednej szczególnej metody mapowania powierzchni gwiezdnych do klasy obiektów, które nigdy wcześniej nie były mapowane w ten sposób.
Metoda nazywa się obrazowaniem dopplerowskim. Wykorzystuje fakt, że światło z obracającej się gwiazdy jest nieznacznie przesuwane częstotliwościowo, gdy gwiazda się obraca. W miarę przemieszczania się różnych części powierzchni gwiezdnych, poruszanych ruchem obrotowym gwiazdy, przesunięcia częstotliwości różnią się nieznacznie w zależności od tego, gdzie region emitujący światło znajduje się na gwieździe. Z tych systematycznych odmian można odtworzyć przybliżoną mapę powierzchni gwiazdy, pokazując ciemniejsze i jaśniejsze obszary. Gwiazdy są zbyt odległe, aby nawet największe obecne teleskopy mogły rozpoznać szczegóły powierzchni, ale w ten sposób mapę powierzchni można odtworzyć pośrednio.
Sama metoda nie jest nowa. Podstawowa koncepcja została wynaleziona pod koniec lat 50., a lata 80. przyniosły kilka zastosowań jasnym, wolno obracającym się gwiazdom, a astronomowie używali obrazowania dopplerowskiego do mapowania plam tych gwiazd (ciemne plamy na powierzchni gwiazdy; gwiezdny analog do plam słonecznych).
Crossfield i jego koledzy zastanawiali się: czy tę metodę można zastosować do brązowego karła - pośrednika między planetą i gwiazdą, bardziej masywnego niż planeta, ale o niewystarczającej masie do fuzji jądrowej w jądrze obiektu, zamieniając go w gwiazdę? Niestety, kilka szybkich obliczeń, uwzględniających to, co mogą i nie mogą zrobić obecne teleskopy i instrumenty, a także właściwości znanych brązowych karłów, pokazało, że to nie zadziała.
Dostępne cele były zbyt słabe, a obrazowanie Dopplera potrzebuje dużo światła: po pierwsze dlatego, że musisz podzielić dostępne światło na niezliczone kolory widma, a także dlatego, że musisz wykonać wiele różnych raczej krótkich pomiarów - w końcu trzeba monitorować, jak subtelne przesunięcia częstotliwości powodowane przez efekt Dopplera zmieniają się w czasie.
Jak dotąd tak zwyczajnie. Większość dyskusji na temat dokonywania obserwacji zupełnie nowego typu prawdopodobnie dochodzi do wniosku, że nie można tego zrobić - lub że nie można tego zrobić jeszcze. Ale w tym przypadku pojawił się inny czynnik postępu astronomicznego: odkrycie nowych obiektów.
11 marca Kevin Luhman, astronom z Penn State University, ogłosił doniosłe odkrycie: używając danych z NASA (WISE), zidentyfikował układ dwóch brązowych karłów krążących wokół siebie. Co ciekawe, ten system znajdował się w odległości zaledwie 6,5 lat świetlnych od Ziemi. Tylko układ gwiezdny Alpha Centauri i gwiazda Barnarda są bliżej Ziemi. W rzeczywistości gwiazda Barnarda była ostatnim razem, gdy odkryto, że obiekt jest tak blisko naszego Układu Słonecznego - a odkrycia tego dokonano w 1916 r.
Współcześni astronomowie nie są znani z wymyślania fałszywych nazwisk, a nowy obiekt, który został oznaczony WISE J104915.57-531906.1, nie był wyjątkiem. Szczerze mówiąc, to nie jest prawdziwe imię; jest to połączenie instrumentu wykrywania WISE ze współrzędnymi systemu na niebie. Później zaproponowano alternatywne oznaczenie systemu „Luhman 16AB”, ponieważ był to 16th system binarny odkryty przez Kevina Luhmana, gdzie A i B oznaczają dwa elementy systemu binarnego.
Obecnie Internet zapewnia społeczności astronomicznej natychmiastowy dostęp do nowych odkryć, gdy tylko zostaną ogłoszone. Wielu, prawdopodobnie większość astronomów, zaczyna swój dzień pracy od przeglądania najnowszych zgłoszeń do astro-ph, astrofizycznej sekcji arXiv, międzynarodowego repozytorium artykułów naukowych. Z kilkoma wyjątkami - niektóre czasopisma przynajmniej przez pewien czas domagają się wyłącznych praw do publikacji - w tym przypadku w większości przypadków astronomowie po raz pierwszy zobaczą najnowsze artykuły badawcze swoich kolegów.
Luhman opublikował swój artykuł „Discovery of a Binary Brown Dwarf at 2 Parsecs from the Sun” na astro-ph 11 marca. Dla Crossfielda i jego kolegów z MPIA było to przełomem. Nagle pojawił się brązowy karzeł, dla którego wyobrażenie dopplerowskie mogło działać i stworzyć pierwszą w historii mapę powierzchni brązowego karła.
Jednak aby to się stało, nadal potrzebna byłaby moc gromadzenia światła jednego z największych teleskopów na świecie, a czas obserwacji na takich teleskopach jest bardzo potrzebny. Crossfield i jego koledzy zdecydowali, że muszą złożyć jeszcze jeden test, zanim będą mogli się ubiegać. Każdy obiekt odpowiedni do obrazowania dopplerowskiego będzie migotać bardzo nieznacznie, z kolei będzie coraz jaśniejszy i ciemniejszy w miarę obracania się jaśniejszych lub ciemniejszych obszarów powierzchni. Czy Luhman 16A lub 16B miga - mówiąc astronomem: czy jeden z nich, a może oba, wykazywał dużą zmienność?
Astronomia ma swoją własną skalę czasową. Komunikacja przez Internet jest szybka. Ale jeśli masz nowy pomysł, zwykle nie możesz po prostu czekać na noc i odpowiednio wycelować teleskop. Musisz zaakceptować propozycję obserwacji, a proces ten zajmuje dużo czasu - zwykle od pół roku do roku między propozycją a faktycznymi obserwacjami. Ponadto stosowanie nie jest formalnością. Duże obiekty, takie jak bardzo duże teleskopy Europejskiego Obserwatorium Południowego lub teleskopy kosmiczne, takie jak Hubble, zwykle przyjmują aplikacje ponad pięciokrotnie dłużej niż faktycznie dostępny czas obserwacji.
Istnieje jednak skrót - sposób na znacznie szybsze ukończenie szczególnie obiecujących lub krytycznych czasowo projektów. Nazywa się to „czasem uznaniowym reżysera”, ponieważ dyrektor obserwatorium - lub jego zastępca - są uprawnieni do podziału tej części czasu obserwacji według własnego uznania.
2 kwietnia Beth Biller, kolejna doktorantka MPIA (obecnie studiuje na Uniwersytecie w Edynburgu), złożyła wniosek o czas uznaniowy dyrektora na teleskopie MPG / ESO 2,2 m w obserwatorium ESO La Silla w Chile. Wniosek został zatwierdzony tego samego dnia.
Propozycja Billera polegała na badaniu Luhmana 16A i 16B za pomocą przyrządu o nazwie GROND. Instrument został opracowany do badania poświaty potężnych, odległych eksplozji zwanych rozbłyskami gamma. W przypadku zwykłych obiektów astronomicznych astronomowie mogą nie spieszyć się. Obiekty te nie zmienią się znacznie w ciągu kilku godzin, gdy astronom dokonuje obserwacji, najpierw używając jednego filtra do przechwytywania jednego zakresu długości fal (pomyśl „światło jednego koloru”), a następnie innego filtra dla innego zakresu długości fali. (Obrazy astronomiczne zwykle rejestrują jeden zakres długości fali - jeden kolor - na raz. Jeśli spojrzysz na obraz kolorowy, jest to zwykle wynik serii obserwacji, jeden filtr koloru na raz).
Impulsy promieniowania gamma i inne zjawiska przejściowe są różne. Ich właściwości mogą zmieniać się w skali czasu w minutach, nie pozostawiając czasu na kolejne obserwacje. Dlatego GROND pozwala na jednoczesne obserwacje siedmiu różnych kolorów.
Biller zaproponował wykorzystanie unikalnej możliwości GROND do rejestrowania zmian jasności dla Luhmana 16A i 16B jednocześnie w siedmiu różnych kolorach - rodzaj pomiaru, jakiego nigdy wcześniej nie przeprowadzono w tej skali. Najbardziej równoczesne informacje, które badacze uzyskali od brązowego karła, były na dwóch różnych długościach fal (praca Esther Buenzli, a następnie w Obserwatorium Stewarda z University of Arizona i współpracownikach). Biller jechał na siódmą. Ponieważ nieco odmienne reżimy długości fal zawierają informacje o gazie w nieco różnych kolorach, pomiary te obiecały wgląd w strukturę warstwową tych brązowych karłów - przy różnych temperaturach odpowiadających różnym warstwom atmosferycznym na różnych wysokościach.
Dla Crossfielda i jego współpracowników - w tym Billera - taki pomiar zmian jasności powinien również wykazać, czy jeden z brązowych karłów był dobrym kandydatem do obrazowania dopplerowskiego.
Jak się okazało, nawet nie musieli czekać tak długo. Grupa astronomów wokół Michaëla Gillona skierowała mały robotyczny teleskop TRAPPIST, zaprojektowany do wykrywania egzoplanet na podstawie zmian jasności, jakie powodują podczas przejścia między gwiazdą macierzystą a obserwatorem na Ziemi, do Luhmana 16AB. Tego samego dnia, w którym Biller złożyła wniosek o obserwację czasu, a jej wniosek został zatwierdzony, grupa TRAPPIST opublikowała artykuł „Szybko ewoluująca pogoda dla najfajniejszego z naszych dwóch nowych sąsiadów podrzędnych”, przedstawiający zmiany jasności dla Luhmana 16B.
Ta wiadomość złapała Crossfielda tysiące mil od domu. Niektóre obserwacje astronomiczne nie wymagają od astronomów opuszczania swoich przytulnych biur - propozycja jest wysyłana do astronomów sztabowych przy jednym z dużych teleskopów, którzy dokonują obserwacji, gdy warunki są odpowiednie, i przesyłają dane z powrotem przez Internet. Ale inne rodzaje obserwacji wymagają od astronomów podróżowania do dowolnego używanego teleskopu - na przykład do Chile lub na Hawaje.
Kiedy ogłoszono zmiany jasności Luhmana 16B, Crossfield obserwował na Hawajach. On i jego koledzy od razu zdali sobie sprawę, że biorąc pod uwagę nowe wyniki, Luhman 16B przeszedł z potencjalnego kandydata do techniki obrazowania dopplerowskiego na obiecujący. Podczas lotu z Hawajów z powrotem do Frankfurtu Crossfield szybko napisał pilną propozycję obserwacyjną dotyczącą czasu dyskrecji dyrektora na CRIRES, spektrografu zainstalowanego na jednym z 8-metrowych bardzo dużych teleskopów (VLT) w obserwatorium Paranal w Chile ESO, składając swój wniosek w kwietniu 5. Pięć dni później propozycja została zaakceptowana.
5 maja gigantyczne 8-metrowe lustro Antu, jednego z czterech Teleskopów Jednostkowych Bardzo Dużego Teleskopu, zwróciło się w kierunku konstelacji południowej Vela („Żagiel statku”). Zebrane przez niego światło wprowadzono do CRIRES, spektrografu podczerwieni o wysokiej rozdzielczości, który schładza się do około -200 stopni Celsjusza (-330 Fahrenheita) dla lepszej czułości.
Odpowiednio trzy i dwa tygodnie wcześniej obserwacje Billera dostarczyły bogatych danych na temat zmienności obu brązowych karłów w zamierzonych siedmiu różnych pasmach długości fali.
W tym momencie między pierwotnym pomysłem a obserwacjami minęły nie więcej niż dwa miesiące. Ale parafrazując słynny żart Edisona, astronomia obserwacyjna to 1% obserwacji i 99% oceny, ponieważ surowe dane są analizowane, poprawiane, porównywane z modelami i wnioskami dotyczącymi właściwości obserwowanych obiektów.
W przypadku monitorowanego przez Beth Biller monitorowania wielu długości fali zmian jasności zajęło to około pięciu miesięcy. Na początku września Biller i 17 współautorów, Crossfield i wielu innych współpracowników MPIA, przesłali swój artykuł do Astrophysical Journal Letters (ApJL) po kilku zmianach, został zaakceptowany 17 października. Od 18 października wyniki były dostępne online w astro-ph, a miesiąc później zostały opublikowane na stronie internetowej ApJL.
Pod koniec września Crossfield i jego koledzy zakończyli analizę obrazowania dopplerowskiego danych CRIRES. Wyniki takiej analizy nigdy nie są w 100% pewne, ale astronomowie znaleźli najbardziej prawdopodobną strukturę powierzchni Luhmana 16B: wzór jaśniejszych i ciemniejszych plam; chmury z żelaza i innych minerałów dryfujące na gazowym wodorze.
Jak zwykle w terenie, tekst, który przesłali do czasopisma Natura został wysłany do sędziego - naukowca, który pozostaje anonimowy i który udziela rekomendacji redaktorom czasopisma, czy dany artykuł powinien zostać opublikowany. Przez większość czasu, nawet w przypadku artykułu, który według sędziego powinien zostać opublikowany, ma on pewne zalecenia dotyczące poprawy. Po kilku zmianach Natura zaakceptował Crossfield i in. artykuł pod koniec grudnia 2013 r.
Z Natura, możesz opublikować ostateczną, poprawioną wersję na serwerach astro-ph lub podobnych nie później niż 6 miesięcy po opublikowaniu w czasopiśmie. Tak więc, podczas gdy wielu kolegów usłyszy o mapie brązowego karła 9 stycznia na 223. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Waszyngtonie dla szerszej społeczności astronomicznej, publikacja internetowa 29 stycznia 2014 r. , będzie pierwszym rzutem oka na ten nowy wynik. Możesz się założyć, że widząc mapę brązowego karła, wielu z nich zacznie myśleć o tym, co jeszcze można zrobić. Bądź na bieżąco z następną generacją wyników.
I masz to: 10 miesięcy badań astronomicznych, od pomysłu do publikacji, w wyniku czego powstaje pierwsza mapa powierzchni brązowego karła (Crossfield i in.) Oraz pierwsze siedem pasm - badanie zmian jasności dwóch brązowych karłów (Biller i in.). Podsumowując, badania dostarczają fascynującego obrazu złożonych wzorców pogodowych na obiekcie gdzieś pomiędzy planetą i gwiazdą na początku nowej ery badań nad brązowym karłem i ważnym krokiem w kierunku innego celu: szczegółowych map powierzchni gigantycznych planet gazowych wokół innych gwiazdy.
Mówiąc bardziej osobiście, był to mój pierwszy komunikat prasowy, który został odebrany przez Weather Channel.
