Trillende reuzen zouden de mysteries van stellair magnetisme kunnen oplossen | Quanta-tijdschrift

Onze planeet is gedoemd. Over een paar miljard jaar zal de zon zijn waterstofbrandstof uitputten en opzwellen tot een rode reus - een ster die zo groot is dat hij de binnenste planeten zal verschroeien, zwart maken en verzwelgen.

Terwijl rode reuzen slecht nieuws zijn voor planeten, zijn ze goed nieuws voor astrofysici. Hun hart bevat de sleutels tot het begrijpen van een reeks stellaire lichamen, van jonge protosterren tot witte zombiedwergen, omdat diep in hen een onzichtbare kracht ligt die het lot van een ster kan bepalen: het magnetische veld.

Magnetische velden nabij de oppervlakken van sterren zijn vaak goed gekarakteriseerd, maar wat er in hun kernen gebeurt, is grotendeels onbekend. Dat is aan het veranderen, want rode reuzen zijn bij uitstek geschikt om magnetisme diep in een ster te bestuderen. Wetenschappers doen dit door sterbevingen - subtiele oscillaties aan het oppervlak van een ster - te gebruiken als een portaal naar stellaire interieurs.

"Rode reuzen hebben deze oscillaties waarmee je de kern heel gevoelig kunt onderzoeken", zei Tim Beddengoed, een asteroseismoloog aan de Universiteit van Sydney die rode reuzensterren bestudeert.

Vorig jaar heeft een team van de Universiteit van Toulouse die oscillaties gedecodeerd en de magnetische velden erin gemeten een drietal rode reuzen. Eerder dit jaar hetzelfde team gedetecteerde magnetische velden binnen nog eens 11 rode reuzen. Samen toonden de waarnemingen aan dat de harten van reuzen mysterieuzer zijn dan verwacht.

Dicht bij het hart van een ster spelen magnetische velden een cruciale rol bij de chemische vermenging in het binnenste van de ster, wat op zijn beurt invloed heeft op hoe een ster evolueert. Door stellaire modellen te verfijnen en intern magnetisme toe te voegen, zullen wetenschappers de leeftijd van sterren nauwkeuriger kunnen berekenen. Dergelijke metingen kunnen helpen bij het bepalen van de leeftijd van potentieel bewoonbare verre planeten en het bepalen van de tijdlijnen van de vorming van sterrenstelsels.

"We houden geen rekening met magnetisme in stellaire modellering," zei Lisa Bugnet, een astrofysicus aan het Institute of Science and Technology Austria die methoden ontwikkelde voor het bestuderen van magnetische velden in rode reuzen. "Het is gek, maar het is er gewoon niet omdat we geen idee hebben hoe het eruit ziet [of] hoe sterk het is."

In de zon staren

De enige manier om het hart van een ster te onderzoeken is met asteroseismologie, de studie van stellaire oscillaties.

Op dezelfde manier waarop seismische golven die door het binnenste van de aarde kabbelen, kunnen worden gebruikt om het ondergrondse landschap van de planeet in kaart te brengen, openen stellaire oscillaties een venster naar de ingewanden van een ster. Sterren oscilleren terwijl hun plasma ronddraait en produceren golven die informatie bevatten over de interne samenstelling en rotatie van een ster. Bugnet vergelijkt het proces met een rinkelende bel - de vorm en grootte van een bel produceert een specifiek geluid dat de eigenschappen van de bel zelf onthult.

Om trillende reuzen te bestuderen, gebruiken wetenschappers gegevens van NASA's planeetjacht Kepler-telescoop, die jarenlang de helderheid van meer dan 180,000 sterren bewaakte. Dankzij zijn gevoeligheid konden astrofysici minieme veranderingen in sterlicht detecteren die verband houden met stellaire oscillaties, die zowel de straal als de helderheid van de ster beïnvloeden.

Maar het decoderen van stellaire oscillaties is lastig. Ze zijn er in twee basissmaken: akoestische drukmodi (p-modi), dit zijn geluidsgolven die door de buitenste regionen van een ster bewegen, en zwaartekrachtmodi (g-modi), die een lagere frequentie hebben en meestal beperkt zijn tot de kern. . Voor sterren zoals onze zon domineren p-modes hun waarneembare oscillaties; hun g-modi, die worden beïnvloed door interne magnetische velden, zijn te zwak om te detecteren en kunnen het oppervlak van de ster niet bereiken.

In 2011, de KU Leuven astrofysicus Paul Beck en collega's gebruikte Kepler-gegevens om te laten zien dat in rode reuzen p-modi en g-modi op elkaar inwerken en produceren wat bekend staat als een gemengde modus. De gemengde modi zijn het hulpmiddel dat het hart van een ster onderzoekt - ze stellen astronomen in staat om de oscillaties in de g-modus te zien - en ze zijn alleen detecteerbaar in rode reuzensterren. Het bestuderen van gemengde modi onthulde dat rode reuzenkernen veel langzamer roteren dan de gasvormige omhulling van de ster, in tegenstelling tot wat astrofysici hadden voorspeld.

Dat was een verrassing - en een mogelijke indicatie dat er iets cruciaals ontbrak in die modellen: magnetisme.

Stellaire symmetrie

Vorig jaar, Bende Li, een asteroseismoloog nu aan de KU Leuven, ging graven in de reuzen van Kepler. Hij was op zoek naar een mixed-mode signaal dat het magnetische veld in de kern van een rode reus vastlegde. "Verbazingwekkend genoeg vond ik eigenlijk een paar voorbeelden van dit fenomeen," zei hij.

Typisch, mixed-mode oscillaties in rode reuzen komen bijna ritmisch voor, waardoor een symmetrisch signaal wordt geproduceerd. Bugnet en anderen hadden voorspeld dat magnetische velden die symmetrie zouden doorbreken, maar niemand was in staat om die lastige observatie te maken - tot Li's team.

Li en zijn collega's vonden een gigantisch trio dat de voorspelde asymmetrieën vertoonde, en ze berekenden dat het magnetische veld van elke ster tot "2,000 keer de kracht van een typische koelkastmagneet" - sterk, maar consistent met voorspellingen.

Een van de drie rode reuzen verraste hen echter: het mixed-mode signaal was achterwaarts. "We waren een beetje in de war", zei hij Sebastien Deheuvels, een studie auteur en een astrofysicus in Toulouse. Deheuvels denkt dat dit resultaat suggereert dat het magnetische veld van de ster op zijn kant staat, wat betekent dat de techniek de oriëntatie van magnetische velden zou kunnen bepalen, wat cruciaal is voor het updaten van modellen van stellaire evolutie.

Een tweede studie, geleid door Deheuvels, gebruikte mixed-mode asteroseismologie om magnetische velden in de kernen van 11 rode reuzen te detecteren. Hier onderzocht het team hoe die velden de eigenschappen van g-modi beïnvloedden - die, merkte Deheuvels op, een manier kunnen zijn om voorbij rode reuzen te gaan en magnetische velden te detecteren in sterren die die zeldzame asymmetrieën niet vertonen. Maar eerst "willen we het aantal rode reuzen vinden dat dit gedrag vertoont en ze vergelijken met verschillende scenario's voor de vorming van deze magnetische velden", zei Deheuvels.

Niet zomaar een nummer

Het gebruik van sterbevingen om het interieur van sterren te onderzoeken, luidde een "renaissance" in de evolutie van sterren in Connie Aerts, een astrofysicus aan de KU Leuven.

De renaissance heeft verstrekkende gevolgen voor ons begrip van sterren en van onze plaats in de kosmos. Tot nu toe weten we de exacte leeftijd van slechts één ster - onze zon - die wetenschappers hebben bepaald op basis van de chemische samenstelling van meteorieten die zich tijdens de geboorte van het zonnestelsel. Voor elke andere ster in het universum hebben we alleen geschatte leeftijden op basis van rotatie en massa. Voeg intern magnetisme toe en je hebt een manier om de leeftijd van sterren nauwkeuriger te schatten.

En leeftijd is niet alleen een getal, maar een hulpmiddel dat kan helpen bij het beantwoorden van enkele van de meest diepgaande vragen over de kosmos. Neem de zoektocht naar buitenaards leven. Sinds 1992 hebben wetenschappers meer dan 5,400 exoplaneten waargenomen. De volgende stap is om die werelden te karakteriseren en te bepalen of ze geschikt zijn voor leven. Dat omvat ook het kennen van de leeftijd van de planeet. "En de enige manier waarop je de leeftijd kunt weten, is door de leeftijd van de gastster te kennen," zei Deheuvels.

Een ander veld dat nauwkeurige stellaire leeftijden vereist, is galactische archeologie, de studie van hoe sterrenstelsels in elkaar worden gezet. Zo heeft de Melkweg tijdens zijn evolutie kleinere sterrenstelsels opgeslokt; astrofysici weten dit omdat chemische hoeveelheden in sterren hun afkomst traceren. Maar ze hebben geen goede tijdlijn voor wanneer dat gebeurde - de afgeleide stellaire leeftijden zijn niet nauwkeurig genoeg.

"De realiteit is dat we soms een factor 10 verkeerd zijn in de leeftijd van een ster," zei Aerts.

De studie van magnetische velden in de harten van sterren staat nog in de kinderschoenen; er zijn veel onbekenden als het gaat om het begrijpen hoe sterren evolueren. En voor Aerts zit daar schoonheid in.

"De natuur is fantasierijker dan wij," zei ze.

De reis van Jackson Ryan voor dit verhaal werd gedeeltelijk gefinancierd door het ISTA Science Journalist in Residence-programma.