Γίγαντες που τρέμουν μπορεί να λύσουν τα μυστήρια του αστρικού μαγνητισμού | Περιοδικό Quanta

Ο πλανήτης μας είναι καταδικασμένος. Σε μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, ο ήλιος θα εξαντλήσει το καύσιμο υδρογόνου του και θα διογκωθεί σε έναν κόκκινο γίγαντα - ένα αστέρι τόσο μεγάλο που θα καίει, θα μαυρίσει και θα καταπιεί τους εσωτερικούς πλανήτες.

Ενώ οι κόκκινοι γίγαντες είναι κακά νέα για τους πλανήτες, είναι καλά νέα για τους αστροφυσικούς. Οι καρδιές τους κρατούν τα κλειδιά για την κατανόηση μιας σειράς αστρικών σωμάτων, από νεοσύστατους πρωτοαστέρες έως λευκούς νάνους ζόμπι, γιατί βαθιά μέσα τους βρίσκεται μια αόρατη δύναμη που μπορεί να διαμορφώσει το πεπρωμένο ενός αστεριού: το μαγνητικό πεδίο.

Τα μαγνητικά πεδία κοντά στις επιφάνειες των άστρων είναι συχνά καλά χαρακτηρισμένα, αλλά το τι συμβαίνει στους πυρήνες τους είναι ως επί το πλείστον άγνωστο. Αυτό αλλάζει, επειδή οι κόκκινοι γίγαντες είναι μοναδικοί κατάλληλοι για τη μελέτη του μαγνητισμού βαθιά μέσα σε ένα αστέρι. Οι επιστήμονες το κάνουν αυτό χρησιμοποιώντας αστρικούς σεισμούς - ανεπαίσθητες ταλαντώσεις στην επιφάνεια ενός άστρου - ως πύλη προς το εσωτερικό των αστρών.

«Οι κόκκινοι γίγαντες έχουν αυτές τις ταλαντώσεις που σου επιτρέπουν να διερευνήσεις τον πυρήνα πολύ ευαίσθητα», είπε. Tim Bedding, ένας αστεροσεισμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ που μελετά τους κόκκινους γίγαντες αστέρες.

Πέρυσι, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Τουλούζης αποκωδικοποίησε αυτές τις ταλαντώσεις και μέτρησε τα μαγνητικά πεδία μέσα μια τριάδα κόκκινοι γίγαντες. Νωρίτερα φέτος, η ίδια ομάδα ανιχνευμένα μαγνητικά πεδία μέσα σε άλλους 11 κόκκινους γίγαντες. Μαζί, οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι οι καρδιές των γιγάντων είναι πιο μυστηριώδεις από το αναμενόμενο.

Κοντά στην καρδιά ενός άστρου, τα μαγνητικά πεδία παίζουν κρίσιμους ρόλους στη χημική ανάμειξη στο εσωτερικό του άστρου, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ένα αστέρι εξελίσσεται. Με τη βελτίωση των αστρικών μοντέλων και τη συμπερίληψη του εσωτερικού μαγνητισμού, οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να υπολογίζουν τις αστρικές ηλικίες με μεγαλύτερη ακρίβεια. Τέτοιες μετρήσεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό των ηλικιών των δυνητικά κατοικήσιμων μακρινών πλανητών και στον προσδιορισμό των χρονοδιαγραμμάτων του σχηματισμού των γαλαξιών.

«Δεν συμπεριλαμβάνουμε τον μαγνητισμό στην αστρική μοντελοποίηση», είπε Lisa Bugnet, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας που ανέπτυξε μεθόδους για τη μελέτη των μαγνητικών πεδίων μέσα σε κόκκινους γίγαντες. «Είναι τρελό, αλλά απλά δεν είναι εκεί γιατί δεν έχουμε ιδέα πώς φαίνεται [ή] πόσο δυνατό είναι».

Κοιτάξτε τον Ήλιο

Ο μόνος τρόπος για να διερευνήσετε την καρδιά ενός άστρου είναι με την αστεροσεισμολογία, τη μελέτη των αστρικών ταλαντώσεων.

Με τον ίδιο τρόπο που τα σεισμικά κύματα που κυματίζουν το εσωτερικό της Γης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να χαρτογραφήσουν το υπόγειο τοπίο του πλανήτη, οι αστρικές ταλαντώσεις ανοίγουν ένα παράθυρο στο εσωτερικό ενός αστεριού. Τα αστέρια ταλαντώνονται καθώς το πλάσμα τους αναδεύεται, παράγοντας κύματα που μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική σύνθεση και την περιστροφή ενός αστεριού. Το Bugnet συγκρίνει τη διαδικασία με ένα κουδούνι που χτυπάει — το σχήμα και το μέγεθος ενός κουδουνιού παράγει έναν συγκεκριμένο ήχο που αποκαλύπτει τις ιδιότητες του ίδιου του κουδουνιού.

Για να μελετήσουν γίγαντες που τρέμουν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν δεδομένα από το κυνήγι πλανητών της NASA τηλεσκόπιο Kepler, που παρακολουθούσε τη φωτεινότητα πάνω από 180,000 αστέρων για χρόνια. Η ευαισθησία του επέτρεψε στους αστροφυσικούς να ανιχνεύσουν μικρές αλλαγές στο φως των αστεριών που συνδέονται με αστρικές ταλαντώσεις, οι οποίες επηρεάζουν τόσο την ακτίνα όσο και τη φωτεινότητα του άστρου.

Αλλά η αποκωδικοποίηση των αστρικών ταλαντώσεων είναι δύσκολη. Έρχονται σε δύο βασικές γεύσεις: λειτουργίες ακουστικής πίεσης (p-modes), που είναι ηχητικά κύματα που κινούνται μέσω των εξωτερικών περιοχών ενός άστρου και λειτουργίες βαρύτητας (g-modes), που είναι χαμηλότερης συχνότητας και περιορίζονται κυρίως στον πυρήνα . Για αστέρια όπως ο ήλιος μας, οι τρόποι p κυριαρχούν στις παρατηρήσιμες ταλαντώσεις τους. Οι g-modes τους, οι οποίοι επηρεάζονται από εσωτερικά μαγνητικά πεδία, είναι πολύ αδύναμοι για να ανιχνευθούν και δεν μπορούν να φτάσουν στην επιφάνεια του άστρου.

Το 2011, ο αστροφυσικός KU Leuven, Paul Beck και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησε δεδομένα Kepler για να δείξει ότι στους κόκκινους γίγαντες, οι λειτουργίες p και οι λειτουργίες g αλληλεπιδρούν και παράγουν αυτό που είναι γνωστό ως μικτή λειτουργία. Οι μικτές λειτουργίες είναι το εργαλείο που ανιχνεύει την καρδιά ενός άστρου - επιτρέπουν στους αστρονόμους να δουν τις ταλαντώσεις του τρόπου g - και είναι ανιχνεύσιμοι μόνο σε κόκκινα γιγάντια αστέρια. Η μελέτη μεικτών τρόπων λειτουργίας αποκάλυψε ότι οι πυρήνες του κόκκινου γίγαντα περιστρέφονται πολύ πιο αργά από το αέριο περίβλημα του άστρου, σε αντίθεση με ό,τι είχαν προβλέψει οι αστροφυσικοί.

Αυτό ήταν μια έκπληξη - και μια πιθανή ένδειξη ότι κάτι κρίσιμο έλειπε σε αυτά τα μοντέλα: ο μαγνητισμός.

Αστρική συμμετρία

Πέρυσι, Συμμορία Λι, ένας αστεροσεισμολόγος τώρα στο KU Leuven, έσκαψε τους γίγαντες του Κέπλερ. Έψαχνε για ένα σήμα μικτής λειτουργίας που κατέγραφε το μαγνητικό πεδίο στον πυρήνα ενός κόκκινου γίγαντα. "Περίεργα, βρήκα στην πραγματικότητα μερικές περιπτώσεις αυτού του φαινομένου", είπε.

Τυπικά, οι ταλαντώσεις μεικτού τρόπου στους κόκκινους γίγαντες συμβαίνουν σχεδόν ρυθμικά, παράγοντας ένα συμμετρικό σήμα. Ο Bugnet και άλλοι είχαν προβλεπόμενη ότι τα μαγνητικά πεδία θα έσπασαν αυτή τη συμμετρία, αλλά κανείς δεν μπόρεσε να κάνει αυτή τη δύσκολη παρατήρηση - μέχρι την ομάδα του Λι.

Ο Λι και οι συνεργάτες του βρήκαν ένα γιγάντιο τρίο που παρουσίαζε τις προβλεπόμενες ασυμμετρίες και υπολόγισαν ότι το μαγνητικό πεδίο κάθε αστεριού ήταν μέχρι και «2,000 φορές η ισχύς ενός τυπικού μαγνήτη ψυγείου» — ισχυρός, αλλά συνεπής με τις προβλέψεις.

Ωστόσο, ένας από τους τρεις κόκκινους γίγαντες τους εξέπληξε: Το σήμα μικτής λειτουργίας ήταν προς τα πίσω. «Ήμασταν λίγο μπερδεμένοι», είπε Sébastien Deheuvels, συγγραφέας μελέτης και αστροφυσικός στην Τουλούζη. Ο Deheuvels πιστεύει ότι αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το μαγνητικό πεδίο του άστρου γέρνει στο πλάι, πράγμα που σημαίνει ότι η τεχνική θα μπορούσε να καθορίσει τον προσανατολισμό των μαγνητικών πεδίων, κάτι που είναι κρίσιμο για την ενημέρωση μοντέλων αστρικής εξέλιξης.

Μια δεύτερη μελέτη, με επικεφαλής τον Deheuvels, χρησιμοποίησε αστεροσεισμολογία μικτής λειτουργίας για να ανιχνεύσει μαγνητικά πεδία στους πυρήνες 11 ερυθρών γιγάντων. Εδώ, η ομάδα διερεύνησε πώς αυτά τα πεδία επηρέασαν τις ιδιότητες των τρόπων g - οι οποίες, σημείωσε ο Deheuvels, μπορεί να παρέχουν έναν τρόπο να προχωρήσουμε πέρα ​​από τους κόκκινους γίγαντες και να ανιχνεύσουμε μαγνητικά πεδία σε αστέρια που δεν εμφανίζουν αυτές τις σπάνιες ασυμμετρίες. Αλλά πρώτα «θέλουμε να βρούμε τον αριθμό των κόκκινων γιγάντων που δείχνουν αυτή τη συμπεριφορά και να τους συγκρίνουμε με διαφορετικά σενάρια για το σχηματισμό αυτών των μαγνητικών πεδίων», είπε ο Deheuvels.

Όχι απλώς ένας αριθμός

Η χρήση αστρικών σεισμών για τη διερεύνηση του εσωτερικού των άστρων ξεκίνησε μια «αναγέννηση» στην αστρική εξέλιξη, είπε Conny Aerts, αστροφυσικός στο KU Leuven.

Η αναγέννηση έχει εκτεταμένες επιπτώσεις στην κατανόησή μας για τα αστέρια και τη θέση μας στον κόσμο. Μέχρι στιγμής, γνωρίζουμε την ακριβή ηλικία ενός μόνο άστρου - του ήλιου μας - την οποία προσδιόρισαν οι επιστήμονες με βάση τη χημική σύνθεση των μετεωριτών που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια του γέννηση του ηλιακού συστήματος. Για κάθε άλλο αστέρι στο σύμπαν, έχουμε μόνο εκτιμώμενες ηλικίες με βάση την περιστροφή και τη μάζα. Προσθέστε εσωτερικό μαγνητισμό και έχετε έναν τρόπο να υπολογίσετε τις αστρικές ηλικίες με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Και η ηλικία δεν είναι απλώς ένας αριθμός, αλλά ένα εργαλείο που θα μπορούσε να βοηθήσει στην απάντηση σε μερικές από τις πιο βαθιές ερωτήσεις σχετικά με τον κόσμο. Κάντε την αναζήτηση για εξωγήινη ζωή. Από το 1992, οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει περισσότερους από 5,400 εξωπλανήτες. Το επόμενο βήμα είναι να χαρακτηρίσουμε αυτούς τους κόσμους και να καθορίσουμε αν είναι κατάλληλοι για ζωή. Αυτό περιλαμβάνει τη γνώση της ηλικίας του πλανήτη. «Και ο μόνος τρόπος που μπορείτε να μάθετε την ηλικία του είναι γνωρίζοντας την ηλικία του πρωταγωνιστή», είπε ο Deheuvels.

Ένα άλλο πεδίο που απαιτεί ακριβείς αστρικές ηλικίες είναι η γαλαξιακή αρχαιολογία, η μελέτη του τρόπου συναρμολόγησης των γαλαξιών. Ο Γαλαξίας, για παράδειγμα, καταβρόχθισε μικρότερους γαλαξίες κατά την εξέλιξή του. Οι αστροφυσικοί το γνωρίζουν αυτό επειδή η αφθονία χημικών στα αστέρια εντοπίζει την καταγωγή τους. Αλλά δεν έχουν ένα καλό χρονοδιάγραμμα για το πότε συνέβη αυτό - οι συναγόμενες αστρικές ηλικίες δεν είναι αρκετά ακριβείς.

«Η πραγματικότητα είναι ότι μερικές φορές είμαστε 10 φορές λάθος στην αστρική ηλικία», είπε ο Aerts.

Η μελέτη των μαγνητικών πεδίων μέσα στις αστρικές καρδιές είναι ακόμα στα σπάργανα. Υπάρχουν πολλά άγνωστα όταν πρόκειται να κατανοήσουμε πώς εξελίσσονται τα αστέρια. Και για τον Aerts, υπάρχει ομορφιά σε αυτό.

«Η φύση είναι πιο ευφάνταστη από εμάς», είπε.

Το ταξίδι του Τζάκσον Ράιαν για αυτήν την ιστορία χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το πρόγραμμα ISTA Science Journalist in Residence.