Gempa Raksasa Bisa Memecahkan Misteri Magnetisme Stellar | Majalah Quanta

Planet kita hancur. Dalam beberapa miliar tahun, matahari akan menghabiskan bahan bakar hidrogennya dan membengkak menjadi raksasa merah — bintang yang begitu besar sehingga akan menghanguskan, menghitam, dan menelan planet-planet bagian dalam.

Sementara raksasa merah adalah berita buruk bagi planet, itu adalah kabar baik bagi ahli astrofisika. Hati mereka memegang kunci untuk memahami berbagai benda bintang, mulai dari protobintang muda hingga katai putih zombi, karena jauh di dalamnya terdapat kekuatan tak terlihat yang dapat membentuk takdir sebuah bintang: medan magnet.

Medan magnet di dekat permukaan bintang seringkali terkarakterisasi dengan baik, tetapi apa yang terjadi di intinya sebagian besar tidak diketahui. Itu berubah, karena raksasa merah secara unik cocok untuk mempelajari magnet jauh di dalam bintang. Para ilmuwan melakukan ini dengan menggunakan starquakes — osilasi halus di permukaan bintang — sebagai portal ke interior bintang.

“Raksasa merah memiliki osilasi yang memungkinkan Anda untuk menyelidiki intinya dengan sangat sensitif,” kata Tempat Tidur Tim, seorang asteroseismologist di University of Sydney yang mempelajari bintang raksasa merah.

Tahun lalu, sebuah tim di University of Toulouse memecahkan kode osilasi tersebut dan mengukur medan magnet di dalamnya trio raksasa merah. Awal tahun ini, tim yang sama medan magnet yang terdeteksi di dalam 11 raksasa merah lainnya. Bersama-sama, pengamatan menunjukkan bahwa hati raksasa lebih misterius dari yang diperkirakan.

Dekat dengan jantung bintang, medan magnet memainkan peran penting dalam percampuran kimia di bagian dalam bintang, yang pada gilirannya mempengaruhi bagaimana sebuah bintang berevolusi. Dengan menyempurnakan model bintang dan memasukkan magnet internal, para ilmuwan akan dapat menghitung usia bintang dengan lebih akurat. Pengukuran semacam itu dapat membantu menentukan usia planet jauh yang berpotensi layak huni dan menentukan garis waktu pembentukan galaksi.

"Kami tidak memasukkan magnet dalam pemodelan bintang," kata Lisa Bugnet, seorang ahli astrofisika di Institut Sains dan Teknologi Austria yang mengembangkan metode untuk mempelajari medan magnet di dalam raksasa merah. “Ini gila, tapi tidak ada di sana karena kita tidak tahu bagaimana tampilannya [atau] seberapa kuatnya.”

Menatap Matahari

Satu-satunya cara untuk menyelidiki jantung bintang adalah dengan asteroseismologi, studi tentang osilasi bintang.

Dengan cara yang sama gelombang seismik yang beriak melalui interior Bumi dapat digunakan untuk memetakan lanskap bawah tanah planet ini, osilasi bintang membuka jendela ke jeroan bintang. Bintang berosilasi saat plasmanya bergolak, menghasilkan gelombang yang membawa informasi tentang komposisi dan rotasi internal bintang. Bugnet membandingkan prosesnya dengan bel yang berbunyi — bentuk dan ukuran bel menghasilkan suara tertentu yang mengungkap sifat bel itu sendiri.

Untuk mempelajari gempa raksasa, para ilmuwan menggunakan data dari perburuan planet NASA Teleskop Kepler, yang memantau kecerahan lebih dari 180,000 bintang selama bertahun-tahun. Sensitivitasnya memungkinkan ahli astrofisika untuk mendeteksi perubahan kecil dalam cahaya bintang yang terkait dengan osilasi bintang, yang memengaruhi radius dan kecerahan bintang.

Tapi decoding osilasi bintang itu rumit. Mereka datang dalam dua rasa dasar: mode tekanan akustik (mode-p), yang merupakan gelombang suara yang bergerak melalui wilayah luar bintang, dan mode gravitasi (mode-g), yang frekuensinya lebih rendah dan sebagian besar terbatas pada inti. . Untuk bintang seperti matahari kita, mode-p mendominasi osilasi yang dapat diamati; g-mode mereka, yang dipengaruhi oleh medan magnet internal, terlalu lemah untuk dideteksi dan tidak dapat mencapai permukaan bintang.

Pada tahun 2011, astrofisikawan KU Leuven Paul Beck dan rekannya menggunakan data Kepler untuk menunjukkan bahwa dalam raksasa merah, mode-p dan mode-g berinteraksi dan menghasilkan apa yang dikenal sebagai mode campuran. Mode campuran adalah alat yang menyelidiki jantung bintang — mode ini memungkinkan para astronom melihat osilasi mode-g — dan mode tersebut hanya dapat dideteksi di bintang raksasa merah. Mempelajari mode campuran mengungkapkan bahwa inti raksasa merah berotasi jauh lebih lambat daripada selubung gas bintang, bertentangan dengan prediksi astrofisikawan.

Itu adalah kejutan — dan kemungkinan indikasi bahwa ada sesuatu yang penting yang hilang dalam model tersebut: daya tarik.

Simetri Bintang

Tahun lalu, Geng Li, seorang asteroseismolog sekarang di KU Leuven, menggali melalui raksasa Kepler. Dia sedang mencari sinyal mode campuran yang merekam medan magnet di inti raksasa merah. “Yang mengherankan, saya benar-benar menemukan beberapa contoh dari fenomena ini,” katanya.

Biasanya, osilasi mode campuran pada raksasa merah terjadi hampir secara ritmis, menghasilkan sinyal simetris. Bugnet dan yang lainnya punya diprediksi bahwa medan magnet akan mematahkan simetri itu, tetapi tidak ada yang mampu melakukan pengamatan rumit itu — sampai tim Li.

Li dan rekan-rekannya menemukan trio raksasa yang memperlihatkan prediksi asimetri, dan mereka menghitung bahwa medan magnet setiap bintang adalah hingga “2,000 kali kekuatan magnet kulkas pada umumnya” — kuat, tetapi konsisten dengan prediksi.

Namun, salah satu dari tiga raksasa merah mengejutkan mereka: Sinyal mode campurannya mundur. "Kami agak bingung," kata Sébastien Deheuvel, seorang penulis studi dan ahli astrofisika di Toulouse. Deheuvels berpikir hasil ini menunjukkan bahwa medan magnet bintang miring ke samping, yang berarti bahwa teknik tersebut dapat menentukan orientasi medan magnet, yang sangat penting untuk memperbarui model evolusi bintang.

Studi kedua, dipimpin oleh Deheuvels, menggunakan asteroseismologi mode campuran untuk mendeteksi medan magnet di inti 11 raksasa merah. Di sini, tim mengeksplorasi bagaimana bidang-bidang tersebut memengaruhi sifat-sifat mode-g - yang, menurut Deheuvels, dapat memberikan cara untuk bergerak melampaui raksasa merah dan mendeteksi medan magnet di bintang yang tidak menunjukkan asimetri langka tersebut. Tapi pertama-tama "kami ingin menemukan jumlah raksasa merah yang menunjukkan perilaku ini dan membandingkannya dengan skenario berbeda untuk pembentukan medan magnet ini," kata Deheuvels.

Bukan Sekadar Angka

Menggunakan gempa bintang untuk menyelidiki bagian dalam bintang memulai "kebangkitan" dalam evolusi bintang, kata Conny Aerts, seorang ahli astrofisika di KU Leuven.

Renaisans memiliki implikasi yang luas untuk pemahaman kita tentang bintang dan tempat kita di kosmos. Sejauh ini, kita mengetahui usia persis satu bintang—matahari kita—yang ditentukan para ilmuwan berdasarkan komposisi kimiawi meteorit yang terbentuk selama kelahiran tata surya. Untuk setiap bintang lain di alam semesta, kami hanya memperkirakan usia berdasarkan rotasi dan massa. Tambahkan magnet internal, dan Anda memiliki cara untuk memperkirakan usia bintang dengan lebih presisi.

Dan usia bukan sekadar angka, tapi alat yang bisa membantu menjawab beberapa pertanyaan paling mendalam tentang kosmos. Ambil pencarian untuk kehidupan di luar bumi. Sejak 1992, para ilmuwan telah menemukan lebih dari 5,400 exoplanet. Langkah selanjutnya adalah mengkarakterisasi dunia tersebut dan menentukan apakah cocok untuk kehidupan. Itu termasuk mengetahui usia planet. “Dan satu-satunya cara untuk mengetahui umurnya adalah dengan mengetahui umur bintang induknya,” kata Deheuvels.

Bidang lain yang membutuhkan usia bintang yang tepat adalah arkeologi galaksi, studi tentang bagaimana galaksi tersusun. Bima Sakti, misalnya, melahap galaksi-galaksi yang lebih kecil selama evolusinya; ahli astrofisika mengetahui hal ini karena kelimpahan bahan kimia di bintang menelusuri nenek moyang mereka. Tapi mereka tidak memiliki garis waktu yang baik untuk kapan itu terjadi — usia bintang yang disimpulkan tidak cukup akurat.

“Kenyataannya adalah, kadang-kadang kita adalah faktor [dari] 10 kesalahan dalam usia bintang,” kata Aerts.

Studi tentang medan magnet di dalam hati bintang masih dalam tahap awal; ada banyak hal yang tidak diketahui dalam memahami bagaimana bintang berevolusi. Dan untuk Aerts, ada keindahan di dalamnya.

“Alam lebih imajinatif daripada kita,” katanya.

Perjalanan Jackson Ryan untuk cerita ini sebagian didanai oleh ISTA Science Journalist in Residence Program.