Giganti tremanti potrebbero risolvere i misteri del magnetismo stellare | Rivista Quanta

Il nostro pianeta è condannato. Tra qualche miliardo di anni, il sole esaurirà il suo idrogeno combustibile e si gonfierà in una gigante rossa, una stella così grande che brucerà, annerirà e inghiottirà i pianeti interni.

Mentre le giganti rosse sono una cattiva notizia per i pianeti, sono una buona notizia per gli astrofisici. I loro cuori detengono le chiavi per comprendere una gamma di corpi stellari, dalle protostelle alle prime armi alle nane bianche zombi, perché nel loro profondo si trova una forza invisibile che può plasmare il destino di una stella: il campo magnetico.

I campi magnetici vicino alla superficie delle stelle sono spesso ben caratterizzati, ma ciò che accade nei loro nuclei è per lo più sconosciuto. Questo sta cambiando, perché le giganti rosse sono particolarmente adatte per studiare il magnetismo all'interno di una stella. Gli scienziati lo fanno usando gli starquake - sottili oscillazioni sulla superficie di una stella - come un portale per gli interni stellari.

"Le giganti rosse hanno queste oscillazioni che ti permettono di sondare il nucleo in modo molto sensibile", ha detto Biancheria da letto di Tim, un astrosismologo dell'Università di Sydney che studia le stelle giganti rosse.

L'anno scorso, un team dell'Università di Tolosa ha decodificato quelle oscillazioni e misurato i campi magnetici all'interno un trio di giganti rosse. All'inizio di quest'anno, la stessa squadra campi magnetici rilevati all'interno di altre 11 giganti rosse. Insieme, le osservazioni hanno mostrato che i cuori dei giganti sono più misteriosi del previsto.

Vicino al cuore di una stella, i campi magnetici svolgono un ruolo cruciale nella miscelazione chimica all'interno della stella, che a sua volta influenza il modo in cui una stella si evolve. Perfezionando i modelli stellari e includendo il magnetismo interno, gli scienziati saranno in grado di calcolare le età stellari in modo più accurato. Tali misurazioni potrebbero aiutare a determinare l'età di pianeti lontani potenzialmente abitabili e definire le linee temporali della formazione delle galassie.

"Non includiamo il magnetismo nella modellazione stellare", ha detto Lisa Bugnet, un astrofisico dell'Istituto di scienza e tecnologia austriaco che ha sviluppato metodi per studiare i campi magnetici all'interno delle giganti rosse. "È pazzesco, ma semplicemente non c'è perché non abbiamo idea di come sia [o] quanto sia forte."

Guarda il sole

L'unico modo per sondare il cuore di una stella è con l'astrosismologia, lo studio delle oscillazioni stellari.

Allo stesso modo in cui le onde sismiche che si propagano all'interno della Terra possono essere utilizzate per mappare il paesaggio sotterraneo del pianeta, le oscillazioni stellari aprono una finestra sulle viscere di una stella. Le stelle oscillano mentre il loro plasma ribolle, producendo onde che trasportano informazioni sulla composizione interna e sulla rotazione di una stella. Bugnet paragona il processo a una campana che suona: la forma e le dimensioni di una campana producono un suono specifico che rivela le proprietà della campana stessa.

Per studiare i giganti tremanti, gli scienziati usano i dati della caccia al pianeta della NASA Telescopio Kepler, che ha monitorato per anni la luminosità di oltre 180,000 stelle. La sua sensibilità ha permesso agli astrofisici di rilevare minuscoli cambiamenti nella luce stellare legati alle oscillazioni stellari, che influenzano sia il raggio che la luminosità della stella.

Ma decodificare le oscillazioni stellari è complicato. Sono disponibili in due versioni di base: modalità di pressione acustica (modalità p), che sono onde sonore che si muovono attraverso le regioni esterne di una stella, e modalità di gravità (modalità g), che hanno una frequenza inferiore e per lo più confinate al nucleo . Per stelle come il nostro sole, i modi p dominano le loro oscillazioni osservabili; i loro modi g, che sono influenzati dai campi magnetici interni, sono troppo deboli per essere rilevati e non possono raggiungere la superficie della stella.

Nel 2011, l'astrofisico della KU Leuven Paul Beck e colleghi ha utilizzato i dati di Keplero per dimostrare che nelle giganti rosse, i modi p e i modi g interagiscono e producono quella che è nota come modalità mista. Le modalità miste sono lo strumento che sonda il cuore di una stella - consentono agli astronomi di vedere le oscillazioni in modalità g - e sono rilevabili solo nelle stelle giganti rosse. Lo studio dei modi misti ha rivelato che i nuclei delle giganti rosse ruotano molto più lentamente dell'involucro gassoso della stella, contrariamente a quanto previsto dagli astrofisici.

È stata una sorpresa e una possibile indicazione che in quei modelli mancava qualcosa di cruciale: il magnetismo.

Simmetria stellare

L'anno scorso, Banda Li, un asterosismologo ora alla KU Leuven, è andato a scavare tra i giganti di Keplero. Stava cercando un segnale a modalità mista che registrasse il campo magnetico nel nucleo di una gigante rossa. "Sorprendentemente, in realtà ho trovato alcuni casi di questo fenomeno", ha detto.

Tipicamente, le oscillazioni in modalità mista nelle giganti rosse si verificano quasi ritmicamente, producendo un segnale simmetrico. Bugnet e altri avevano previsto che i campi magnetici avrebbero rotto quella simmetria, ma nessuno è stato in grado di fare quell'osservazione complicata - fino alla squadra di Li.

Li e i suoi colleghi hanno trovato un trio gigante che mostrava le asimmetrie previste e hanno calcolato che il campo magnetico di ogni stella era fino all "2,000 volte la forza di un tipico magnete da frigorifero" - forte, ma coerente con le previsioni.

Tuttavia, una delle tre giganti rosse li ha sorpresi: il suo segnale in modalità mista era al contrario. "Eravamo un po' perplessi", ha detto Sebastian Deheuvels, autore di uno studio e astrofisico a Tolosa. Deheuvels pensa che questo risultato suggerisca che il campo magnetico della stella è inclinato su un lato, il che significa che la tecnica potrebbe determinare l'orientamento dei campi magnetici, che è cruciale per l'aggiornamento dei modelli di evoluzione stellare.

Un secondo studio, condotto da Deheuvels, ha utilizzato l'asterosismologia in modalità mista per rilevare i campi magnetici nei nuclei di 11 giganti rosse. Qui, il team ha esplorato il modo in cui quei campi influenzano le proprietà dei modi g, che, ha osservato Deheuvels, possono fornire un modo per andare oltre le giganti rosse e rilevare i campi magnetici nelle stelle che non mostrano quelle rare asimmetrie. Ma prima "vogliamo trovare il numero di giganti rosse che mostrano questo comportamento e confrontarle con diversi scenari per la formazione di questi campi magnetici", ha detto Deheuvels.

Non solo un numero

L'uso di starquakes per indagare l'interno delle stelle ha dato il via a una "rinascita" nell'evoluzione stellare, ha detto Conny Aerts, un astrofisico della KU Leuven.

Il Rinascimento ha implicazioni di vasta portata per la nostra comprensione delle stelle e del nostro posto nel cosmo. Finora conosciamo l'età esatta di una sola stella, il nostro sole, che gli scienziati hanno determinato in base alla composizione chimica dei meteoriti che si sono formati durante il nascita del sistema solare. Per ogni altra stella nell'universo, abbiamo solo età stimate basate sulla rotazione e sulla massa. Aggiungi il magnetismo interno e hai un modo per stimare le età stellari con maggiore precisione.

E l'età non è solo un numero, ma uno strumento che potrebbe aiutare a rispondere ad alcune delle domande più profonde sul cosmo. Prendi la ricerca della vita extraterrestre. Dal 1992, gli scienziati hanno individuato più di 5,400 esopianeti. Il prossimo passo è caratterizzare quei mondi e determinare se sono adatti alla vita. Ciò include conoscere l'età del pianeta. "E l'unico modo per conoscere la sua età è conoscere l'età della stella ospite", ha detto Deheuvels.

Un altro campo che richiede età stellari precise è l'archeologia galattica, lo studio di come si assemblano le galassie. La Via Lattea, ad esempio, ha inghiottito galassie più piccole durante la sua evoluzione; gli astrofisici lo sanno perché le abbondanze chimiche nelle stelle tracciano i loro antenati. Ma non hanno una buona cronologia per quando ciò è accaduto: le età stellari dedotte non sono abbastanza precise.

"La realtà è che a volte siamo un fattore [di] 10 sbagliato in età stellare", ha detto Aerts.

Lo studio dei campi magnetici all'interno dei cuori stellari è ancora agli inizi; ci sono molte incognite quando si tratta di capire come si evolvono le stelle. E per Aerts, c'è della bellezza in questo.

"La natura è più fantasiosa di noi", ha detto.

Il viaggio di Jackson Ryan per questa storia è stato in parte finanziato dall'ISTA Science Journalist in Residence Program.