Värisevad hiiglased võivad lahendada tähtede magnetismi saladused | Ajakiri Quanta

Meie planeet on hukule määratud. Mõne miljardi aasta pärast ammendab päike oma vesinikkütuse ja paisub punaseks hiiglaseks - nii suureks täheks, et see kõrvetab, mustab ja neelab sisemised planeedid.

Kuigi punased hiiglased on halb uudis planeetidele, on need head uudised astrofüüsikutele. Nende südamed hoiavad võtmeid mitmete tähekehade mõistmiseks, alustades algtähtedest kuni zombie valgete kääbusteni, sest sügaval nende sees peitub nähtamatu jõud, mis võib kujundada tähe saatust: magnetväli.

Tähtede pindade lähedal olevad magnetväljad on sageli hästi iseloomustatud, kuid nende tuumades toimuv on enamasti teadmata. See on muutumas, sest punased hiiglased sobivad ainulaadselt magnetismi uurimiseks sügaval tähe sees. Teadlased teevad seda, kasutades tähevärinaid – peeneid võnkumisi tähe pinnal – portaalina tähtede sisemusse.

"Punastel hiiglastel on need võnked, mis võimaldavad teil südamikku väga tundlikult uurida," ütles Tim Bedding, Sydney ülikooli asteroseismoloog, kes uurib punaseid hiidtähti.

Eelmisel aastal dekodeeris Toulouse'i ülikooli meeskond need võnkumised ja mõõtis magnetvälju. punaste hiiglaste kolmik. Selle aasta alguses sama meeskond tuvastatud magnetväljad sees veel 11 punast hiiglast. Üheskoos näitasid vaatlused, et hiiglaste südamed on oodatust salapärasemad.

Tähe südamelähedased magnetväljad mängivad tähe sisemuse keemilises segunemises üliolulist rolli, mis omakorda mõjutab tähe arengut. Tähemudelite täiustamise ja sisemise magnetismi kaasamise abil saavad teadlased tähtede vanust täpsemalt arvutada. Sellised mõõtmised võivad aidata määrata potentsiaalselt elamiskõlblike kaugete planeetide vanust ja määrata galaktikate tekke ajakava.

"Me ei kaasa magnetismi tähtede modelleerimisse," ütles Lisa Bugnet, Austria teaduse ja tehnoloogia instituudi astrofüüsik, kes töötas välja meetodid punaste hiiglaste sees olevate magnetväljade uurimiseks. "See on hull, aga seda lihtsalt pole, sest meil pole aimugi, kuidas see välja näeb [või] kui tugev see on."

Vaata päikest

Ainus viis tähe südame uurimiseks on asteroseismoloogia, tähtede võnkumiste uurimine.

Samamoodi nagu Maa sisemuses lainetavaid seismilisi laineid saab kasutada planeedi maa-aluse maastiku kaardistamiseks, avavad tähtede võnkumised akna tähe sisemusse. Tähed võnkuvad, kui nende plasma keerleb, tekitades laineid, mis kannavad teavet tähe sisemise koostise ja pöörlemise kohta. Bugnet võrdleb protsessi heliseva kellaga — kella kuju ja suurus tekitab spetsiifilise heli, mis paljastab kella enda omadused.

Maavärinate hiiglaste uurimiseks kasutavad teadlased NASA planeedijahtimise andmeid Kepleri teleskoop, mis jälgis aastaid üle 180,000 XNUMX tähe heledust. Selle tundlikkus võimaldas astrofüüsikutel tuvastada väikseid muutusi tähevalguses, mis on seotud tähtede võnkumisega, mis mõjutavad nii tähe raadiust kui ka heledust.

Kuid tähtede võnkumiste dekodeerimine on keeruline. Neid on kahte peamist maitset: akustilise rõhu režiimid (p-režiimid), mis on helilained, mis liiguvad läbi tähe välispiirkondade, ja gravitatsioonirežiimid (g-režiimid), mis on madalama sagedusega ja piirduvad enamasti tuumaga. . Tähtede, nagu meie päike, puhul domineerivad nende vaadeldavate võnkumiste üle p-režiimid; nende g-režiimid, mida mõjutavad sisemised magnetväljad, on tuvastamiseks liiga nõrgad ega jõua tähe pinnale.

2011. aastal KU Leuveni astrofüüsik Paul Beck ja kolleegid kasutas Kepleri andmeid näitamaks, et punaste hiiglaste puhul suhtlevad p- ja g-režiimid omavahel ning tekitavad nn segarežiimi. Segarežiimid on tööriist, mis uurib tähe südant – need võimaldavad astronoomidel näha g-režiimi võnkumisi – ja need on tuvastatavad ainult punaste hiiglaslike tähtede puhul. Segarežiimide uurimine näitas, et punased hiidsüdamikud pöörlevad palju aeglasemalt kui tähe gaasiline ümbris, vastupidiselt astrofüüsikute ennustatule.

See oli üllatus - ja võimalik märk sellest, et neis mudelites oli puudu midagi üliolulist: magnetism.

Tähtede sümmeetria

Eelmisel aastal Gang Li, praegu KU Leuvenis töötav asteroseismoloog, uuris Kepleri hiiglasi. Ta otsis segarežiimilist signaali, mis salvestas magnetvälja punase hiiglase tuumas. "Hämmastaval kombel leidsin selle nähtuse kohta mõned juhtumid," ütles ta.

Tavaliselt esinevad punaste hiiglaste segarežiimilised võnked peaaegu rütmiliselt, tekitades sümmeetrilise signaali. Bugnetil ja teistel oli ennustada et magnetväljad rikuvad selle sümmeetria, kuid keegi ei suutnud seda keerulist vaatlust teha - kuni Li meeskonnani.

Li ja tema kolleegid leidsid hiiglasliku kolmiku, millel oli ennustatud asümmeetria, ja nad arvutasid, et iga tähe magnetväli oli kuni "2,000 korda suurem kui tüüpiline külmkapimagnet" – tugev, kuid kooskõlas ennustustega.

Üks kolmest punasest hiiglasest üllatas neid aga: selle segarežiimi signaal oli tagurpidi. "Olime natuke hämmingus," ütles Sébastien Deheuvels, uuringu autor ja astrofüüsik Toulouse'is. Deheuvels arvab, et see tulemus viitab sellele, et tähe magnetväli on kallutatud küljele, mis tähendab, et tehnika võib määrata magnetväljade orientatsiooni, mis on tähtede evolutsiooni mudelite värskendamiseks ülioluline.

Teises Deheuvelsi juhitud uuringus kasutati segarežiimi asteroseismoloogiat magnetväljade tuvastamiseks 11 punase hiiglase tuumades. Siin uuris töörühm, kuidas need väljad mõjutasid g-režiimide omadusi – mis, märkis Deheuvels, võib anda võimaluse liikuda punastest hiiglastest kaugemale ja tuvastada magnetvälju tähtedes, mis ei näita seda haruldast asümmeetriat. Kuid kõigepealt "tahame leida punaste hiiglaste arvu, mis seda käitumist näitavad, ja võrrelda neid nende magnetväljade moodustumise erinevate stsenaariumidega," ütles Deheuvels.

Mitte ainult number

Tähevärinate kasutamine tähtede sisemuse uurimiseks käivitas tähtede evolutsioonis "renessansi", ütles Conny Aerts, KU Leuveni astrofüüsik.

Renessansil on kaugeleulatuvad tagajärjed meie arusaamale tähtedest ja meie kohast kosmoses. Seni on teada vaid ühe tähe – meie päikese – täpne vanus, mille teadlased määrasid kindlaks meteoriitide keemilise koostise põhjal, mis tekkisid päikesesüsteemi sünd. Iga teise tähe kohta universumis on meil ainult hinnanguline vanus, mis põhineb pöörlemisel ja massil. Lisage sisemine magnetism ja teil on võimalus tähtede vanust täpsemalt hinnata.

Ja vanus ei ole lihtsalt number, vaid tööriist, mis võib aidata vastata mõnele kõige sügavamale küsimusele kosmose kohta. Otsige maavälist elu. Alates 1992. aastast on teadlased märganud enam kui 5,400 eksoplaneeti. Järgmine samm on iseloomustada neid maailmu ja teha kindlaks, kas need sobivad eluks. See hõlmab ka planeedi vanuse teadmist. "Ja ainus viis selle vanust teada saada on saatejuhi vanuse teadmine," ütles Deheuvels.

Teine valdkond, mis nõuab tähtede täpset vanust, on galaktikate arheoloogia, galaktikate kokkupanemise uurimine. Näiteks Linnutee ahmis oma evolutsiooni käigus endasse väiksemaid galaktikaid; astrofüüsikud teavad seda, sest tähtede keemiline arvukus jälgib nende esivanemaid. Kuid neil pole head ajakava, millal see juhtus – oletatavad tähtede vanused pole piisavalt täpsed.

"Tegelikkus on see, et mõnikord oleme täheajastul 10 korda valed," ütles Aerts.

Tähtede südamete magnetväljade uurimine on alles lapsekingades; tähtede arenemise mõistmisel on palju tundmatuid. Ja Aertsi jaoks on selles ilu.

"Loodus on kujutlusvõimelisem kui meie," ütles ta.

Jackson Ryani reisi selle loo jaoks rahastas osaliselt ISTA Science Journalist in Residence programm.