عمالقة مرتجفون قد يحلون ألغاز المغناطيسية النجمية | مجلة كوانتا

كوكبنا محكوم عليه بالفناء. في غضون بضعة مليارات من السنين ، ستستنفد الشمس وقودها الهيدروجين وتنتفخ لتصبح عملاقًا أحمر - نجمًا كبيرًا جدًا لدرجة أنه سيحرق الكواكب الداخلية ، ويشوهها ، ويبتلعها.

في حين أن العمالقة الحمراء تمثل أخبارًا سيئة للكواكب، إلا أنها أخبار جيدة لعلماء الفيزياء الفلكية. قلوبهم تحمل مفاتيح فهم مجموعة من الأجسام النجمية، بدءًا من النجوم الأولية الوليدة وحتى الأقزام البيضاء الزومبي، لأنه في أعماقها تكمن قوة غير مرئية يمكنها تشكيل مصير النجم: المجال المغناطيسي.

غالبًا ما يتم تمييز المجالات المغناطيسية القريبة من أسطح النجوم بشكل جيد، لكن ما يحدث في قلوبها غير معروف في الغالب. وهذا يتغير، لأن العمالقة الحمراء مناسبة بشكل فريد لدراسة المغناطيسية في أعماق النجم. يقوم العلماء بذلك عن طريق استخدام الزلازل النجمية - وهي تذبذبات دقيقة على سطح النجم - كبوابة للتصميمات الداخلية للنجوم.

قال: "العمالقة الحمر لديهم هذه التذبذبات التي تسمح لك بفحص النواة بحساسية شديدة". تيم بيدنج، عالم الفلك في جامعة سيدني والذي يدرس النجوم العملاقة الحمراء.

وفي العام الماضي، قام فريق من جامعة تولوز بفك تشفير تلك التذبذبات وقياس المجالات المغناطيسية داخلها. ثلاثي من العمالقة الحمر. في وقت سابق من هذا العام، نفس الفريق المجالات المغناطيسية المكتشفة داخل 11 عملاقًا أحمرًا آخر. وأظهرت الملاحظات مجتمعة أن قلوب العمالقة أكثر غموضا مما كان متوقعا.

وبالقرب من قلب النجم، تلعب المجالات المغناطيسية أدوارًا حاسمة في الخلط الكيميائي في داخل النجم، والذي يؤثر بدوره على كيفية تطور النجم. ومن خلال تحسين النماذج النجمية وتضمين المغناطيسية الداخلية، سيتمكن العلماء من حساب أعمار النجوم بدقة أكبر. يمكن أن تساعد مثل هذه القياسات في تحديد أعمار الكواكب البعيدة التي يحتمل أن تكون صالحة للحياة وتحديد الجداول الزمنية لتكوين المجرات.

وقال: "نحن لا ندرج المغناطيسية في النمذجة النجمية". ليزا بوجنيت، عالم فيزياء فلكية في معهد العلوم والتكنولوجيا بالنمسا، قام بتطوير طرق لدراسة المجالات المغناطيسية داخل العمالقة الحمراء. "إنه أمر جنوني، لكنه ليس موجودًا لأنه ليس لدينا أي فكرة عن شكله أو مدى قوته."

التحديق في الشمس

الطريقة الوحيدة لسبر قلب النجم هي باستخدام علم الزلازل النجمية، وهو دراسة التذبذبات النجمية.

بنفس الطريقة التي يمكن بها استخدام الموجات الزلزالية التي تموج عبر باطن الأرض لرسم خريطة للمناظر الطبيعية الجوفية للكوكب، تفتح التذبذبات النجمية نافذة على أحشاء النجم. تتأرجح النجوم عندما تتحرك البلازما، منتجة موجات تحمل معلومات حول التركيب الداخلي للنجم ودورانه. يقارن Bugnet العملية بالجرس الرنين – حيث ينتج شكل الجرس وحجمه صوتًا محددًا يكشف عن خصائص الجرس نفسه.

ولدراسة الكواكب العملاقة المهتزة، يستخدم العلماء بيانات من برنامج صيد الكواكب التابع لوكالة ناسا تلسكوب كبلر، والتي رصدت سطوع أكثر من 180,000 نجم لسنوات. سمحت حساسيتها لعلماء الفيزياء الفلكية باكتشاف التغيرات الدقيقة في ضوء النجوم المرتبطة بالتذبذبات النجمية، والتي تؤثر على نصف قطر النجم وسطوعه.

لكن فك تشفير التذبذبات النجمية أمر صعب. وهي تأتي في نكهتين أساسيتين: أوضاع الضغط الصوتي (أوضاع p)، وهي عبارة عن موجات صوتية تتحرك عبر المناطق الخارجية للنجم، وأوضاع الجاذبية (أوضاع g)، وهي أقل ترددًا وتقتصر في الغالب على القلب. . بالنسبة للنجوم مثل شمسنا، تهيمن الأوضاع p على تذبذباتها الملحوظة؛ أوضاع الجاذبية الخاصة بها، والتي تتأثر بالمجالات المغناطيسية الداخلية، ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها ولا يمكنها الوصول إلى سطح النجم.

في عام 2011، عالم الفيزياء الفلكية جامعة لوفين بول بيك وزملاؤه استخدمت بيانات كيبلر لإظهار أنه في العمالقة الحمراء، تتفاعل أوضاع p وg وتنتج ما يعرف بالوضع المختلط. الأوضاع المختلطة هي الأداة التي تسبر قلب النجم - فهي تسمح لعلماء الفلك برؤية تذبذبات الوضع g - ولا يمكن اكتشافها إلا في النجوم العملاقة الحمراء. وكشفت دراسة الأنماط المختلطة أن نوى العملاق الأحمر تدور بشكل أبطأ بكثير من الغلاف الغازي للنجم، على عكس ما توقعه علماء الفيزياء الفلكية.

وكان ذلك بمثابة مفاجأة، ومؤشر محتمل على أن شيئًا حاسمًا كان مفقودًا في تلك النماذج: المغناطيسية.

التماثل النجمي

في العام الماضي، قانغ لي، وهو عالم في علم الزلازل الفلكية يعمل حاليًا في جامعة KU Leuven، قام بالحفر عبر عمالقة كبلر. كان يبحث عن إشارة ذات وضع مختلط تسجل المجال المغناطيسي في قلب العملاق الأحمر. وقال: "من المثير للدهشة أنني وجدت بالفعل بعض الأمثلة على هذه الظاهرة".

عادة، تحدث التذبذبات ذات الوضع المختلط في العمالقة الحمراء بشكل إيقاعي تقريبًا، مما ينتج عنه إشارة متماثلة. كان بوجينيت وآخرون وتوقع أن المجالات المغناطيسية ستكسر هذا التناظر، لكن لم يتمكن أحد من إجراء هذه الملاحظة الصعبة، حتى فريق لي.

اكتشف لي وزملاؤه ثلاثيًا عملاقًا أظهر عدم التماثل المتوقع، وحسبوا أن المجال المغناطيسي لكل نجم كان حتى "قوة 2,000 مرة من مغناطيس الثلاجة النموذجي" - قوية، ولكنها متسقة مع التوقعات.

ومع ذلك، فاجأهم أحد العمالقة الحمراء الثلاثة: كانت إشارة الوضع المختلط الخاصة به متخلفة. قال: "كنا في حيرة بعض الشيء". سيباستيان ديهوفيلز، مؤلف دراسة وعالم فيزياء فلكية في تولوز. يعتقد ديهوفيلز أن هذه النتيجة تشير إلى أن المجال المغناطيسي للنجم يميل إلى جانبه، مما يعني أن هذه التقنية يمكن أن تحدد اتجاه المجالات المغناطيسية، وهو أمر بالغ الأهمية لتحديث نماذج تطور النجوم.

استخدمت دراسة ثانية، بقيادة ديهوفيلز، علم الزلازل الفلكية ذي الوضع المختلط لاكتشاف المجالات المغناطيسية في قلوب 11 عملاقًا أحمر. هنا، استكشف الفريق كيف أثرت هذه المجالات على خصائص أوضاع الجاذبية، والتي، كما أشار ديهوفيلز، قد توفر طريقة لتجاوز العمالقة الحمراء واكتشاف المجالات المغناطيسية في النجوم التي لا تظهر تلك التباينات النادرة. وقال ديهوفلز: "لكن أولاً "نريد العثور على عدد العمالقة الحمراء التي تظهر هذا السلوك ومقارنتها بسيناريوهات مختلفة لتشكيل هذه المجالات المغناطيسية".

ليس مجرد رقم

قال إن استخدام الزلازل النجمية لدراسة الأجزاء الداخلية للنجوم أدى إلى "نهضة" في تطور النجوم كوني أيرتس، عالم فيزياء فلكية في جامعة KU Leuven.

إن للنهضة آثارًا بعيدة المدى على فهمنا للنجوم ومكانتنا في الكون. حتى الآن، نعرف العمر الدقيق لنجم واحد فقط، وهو شمسنا، والذي حدده العلماء بناءً على التركيب الكيميائي للنيازك التي تشكلت خلال فترة الكون. ولادة النظام الشمسي. بالنسبة لكل نجم آخر في الكون، لدينا أعمار مقدرة فقط بناءً على دورانه وكتلته. أضف المغناطيسية الداخلية، وسيكون لديك طريقة لتقدير أعمار النجوم بدقة أكبر.

والعمر ليس مجرد رقم، بل هو أداة يمكن أن تساعد في الإجابة على بعض الأسئلة الأكثر عمقا حول الكون. خذ البحث عن حياة خارج كوكب الأرض. منذ عام 1992، اكتشف العلماء أكثر من 5,400 كوكب خارج المجموعة الشمسية. والخطوة التالية هي توصيف تلك العوالم وتحديد ما إذا كانت مناسبة للحياة. ويتضمن ذلك معرفة عمر الكوكب. وقال ديهوفيلز: "والطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها معرفة عمره هي معرفة عمر النجم المضيف".

هناك مجال آخر يتطلب تحديد أعمار النجوم بدقة وهو علم آثار المجرات، وهو دراسة كيفية تجميع المجرات. على سبيل المثال، استحوذت مجرة ​​درب التبانة على مجرات أصغر أثناء تطورها؛ يعرف علماء الفيزياء الفلكية ذلك لأن الوفرة الكيميائية في النجوم تتبع أسلافهم. لكن ليس لديهم جدول زمني جيد لوقت حدوث ذلك، فالأعمار النجمية المستنتجة ليست دقيقة بما فيه الكفاية.

قال أيرتس: "الحقيقة هي أننا في بعض الأحيان نكون سببًا في الخطأ بمقدار 10 في عمر النجوم".

لا تزال دراسة المجالات المغناطيسية داخل القلوب النجمية في بداياتها؛ هناك العديد من الأشياء المجهولة عندما يتعلق الأمر بفهم كيفية تطور النجوم. وبالنسبة لآيرتس، هناك جمال في ذلك.

وقالت: "الطبيعة أكثر إبداعاً منا".

تم تمويل سفر جاكسون رايان لهذه القصة جزئيًا من خلال برنامج الإقامة للصحفي العلمي التابع لـ ISTA.