Vindar från svala jättestjärnor – en viktig källa för kosmiskt stoft

Projekttitel: Vindar från svala jättestjärnor – en viktig källa för kosmiskt stoft
Huvudsökande: Sara Bladh, avdelningen för astronomi och rymdfysik
Beviljade medel: 4 000 000 SEK för perioden 2022-2025

De stjärnor vi ser lysa på natthimlen bildas med olika massor och utvecklas olika snabbt. Stjärnor som är tyngre än 8-9 solmassor förbränner sitt kärnbränsle snabbt, under miljontals år, innan de slutligen exploderar som supernovor. De är dock ovanliga. De flesta stjärnor som bildas är i stället lågmassiva stjärnor. De förbränner sitt kärnbränsle i långsam takt och utvecklas under miljarder år. När dessa stjärnor börjar förbränna väte och helium i skal runt kärnan och utvecklas till Asymptotic Giant Branch (AGB)-stjärnor sväller de i storlek och blir ljusstarka och svala. Under loppet av flera hundratusen år blåser dessa stjärnor sedan bort sina yttre lager genom kraftiga stjärnvindar. Kvar blir avskalade heta kärnor som sakta svalnar till s.k. vita dvärgar.

AGB stjärnor har stora mängder stoft i sitt cirkumstellära hölje och förlorar successivt en stor del av sin massa via dessa stjärnvindar. Stjärnvindarna är så kraftiga att den massförlust de orsakar bestämmer stjärnans återstående livslängd, snarare än hur snabbt skalförbränningen sker. Stjärnvindarna transporterar tyngre ämnen som skapats i stjärnans inre, samt stoft, till den omgivande rymden. Detta material bildar så småningom nya stjärnor och planeter. En stor del av de grundämnen som finns på jorden kommer från AGB-stjärnor. AGB-stjärnor är därmed en viktig faktor i den kemiska utvecklingen av galaxer och spelar även en indirekt roll i uppkomsten av liv i universum.

Vindmodeller som kan förutsäga hur snabbt AGB-stjärnor förlorar sin massa är viktiga för att förstå hur dessa stjärnor utvecklas och påverkar sin omgivning. Även små förändringar i massförlusten påverkar kraftigt AGB-stjärnornas livslängd, samt vilka ämnen som skapas i stjärnans inre och hur mycket material de sprider ut i galaxen. Stoft som observeras i avlägsna galaxer anses ha sitt ursprung i AGB-stjärnor och supernovor, men det är oklart hur mycket dessa källor bidrar. För supernovor är osäkerheten stor kring hur mycket stoft som överlever explosionen. För AGB-stjärnor ligger den största osäkerheten i hur lägre metallhalter påverkar stoftbildningen. Metallfattiga stjärnor måste själva skapa och dra upp till ytan de grundämnen som ska bygga upp stoft. Det är osäkert om tillräckligt mycket stoft kan bildas för att driva de vindar som berikar värdgalaxen med AGB-stoft. Väldigt stoftrika AGB-stjärnor har dock nyligen identifierats i flera metallfattiga dvärggalaxer och i några av dessa domineras stoftmängden helt av bidrag från ett fåtal AGB-stjärnor.

De utflöden som observeras hos AGB-stjärnor uppstår genom en kombination av stjärnans pulsationer (variabilitet i radie och ljusstyrka) och stoftbildning. Pulsationerna ger upphov till chockvågor som fortplantar sig i stjärnans atmosfär. Skikt av komprimerad gas ackumuleras bakom chockvågorna, vilket gynnar stoftbildning. De nybildade stoftkornen blåser bort från stjärnytan när de reflekterar eller absorberar stjärnans ljus. Stoftkornen kolliderar sedan med omgivande gaspartiklar och drar med sig gasen. Studiet av massutflöden från AGB-stjärnor har fram tills nu mest inriktat sig på stjärnvindar i miljöer som liknar den i vår omedelbara närhet, med en kemisk sammansättning liknande solens.

Syftet med detta projekt är att med hjälp av avancerade vindmodeller systematiskt studera hur stjärnvindar kan uppstå i metallfattiga AGB-stjärnor, samt hur dessa vindar berikar sin omgivning med nyproducerade ämnen och stoft. En mer precis beskrivning av hur snabbt AGB-stjärnor förlorar sin massa i metallfattiga miljöer kommer att avsevärt förbättra vår förståelse av universums kemiska utveckling och vår uppskattning av hur mycket olika källor bidrar till stoftproduktionen i avlägsna galaxer.