Skjelvende kjemper kan løse mysteriene med stjernemagnetisme | Quanta Magazine

Planeten vår er dødsdømt. Om noen milliarder år vil solen tømme hydrogenbrenselet sitt og svulme opp til en rød gigant - en stjerne så stor at den vil svi, sverte og svelge de indre planetene.

Mens røde kjemper er dårlige nyheter for planeter, er de gode nyheter for astrofysikere. Hjertene deres har nøklene til å forstå en rekke stjernekropper, fra nye protostjerner til zombiehvite dverger, fordi dypt inne i dem ligger en usynlig kraft som kan forme en stjernes skjebne: magnetfeltet.

Magnetiske felt nær overflaten til stjerner er ofte godt karakterisert, men hva som skjer i kjernene deres er stort sett ukjent. Det er i endring, fordi røde kjemper er unikt egnet for å studere magnetisme dypt inne i en stjerne. Forskere gjør dette ved å bruke stjerneskjelv - subtile svingninger på en stjernes overflate - som en portal til stjerneinteriør.

"Røde kjemper har disse svingningene som lar deg sondere kjernen veldig følsomt," sa Tim sengetøy, en asteroseismolog ved University of Sydney som studerer røde gigantiske stjerner.

I fjor dekodet et team ved University of Toulouse disse svingningene og målte magnetfeltene innenfor en trio av røde kjemper. Tidligere i år, samme lag oppdaget magnetiske felt inne i ytterligere 11 røde kjemper. Sammen viste observasjonene at gigantenes hjerter er mer mystiske enn forventet.

Nært en stjernes hjerte spiller magnetiske felt avgjørende roller i kjemisk blanding i stjernens indre, som igjen påvirker hvordan en stjerne utvikler seg. Ved å foredle stjernemodeller og inkludere intern magnetisme, vil forskere være i stand til å beregne stjernenes alder mer nøyaktig. Slike målinger kan bidra til å bestemme alderen til potensielt beboelige fjerne planeter og fastsette tidslinjene for galaksedannelsen.

"Vi inkluderer ikke magnetisme i stjernemodellering," sa Lisa Bugnet, en astrofysiker ved Institutt for vitenskap og teknologi Østerrike som utviklet metoder for å studere magnetiske felt inne i røde kjemper. "Det er sprøtt, men det er bare ikke der fordi vi ikke aner hvordan det ser ut [eller] hvor sterkt det er."

Stirre inn i solen

Den eneste måten å undersøke hjertet til en stjerne på er med asteroseismologi, studiet av stjernesvingninger.

På samme måte som seismiske bølger som bølger gjennom jordens indre kan brukes til å kartlegge planetens underjordiske landskap, åpner stjernesvingninger et vindu inn til en stjernes indre. Stjerner svinger mens plasmaet deres churner, og produserer bølger som bærer informasjon om en stjernes indre sammensetning og rotasjon. Bugnet sammenligner prosessen med en ringeklokke - formen og størrelsen på en bjelle produserer en spesifikk lyd som avslører egenskapene til selve klokken.

For å studere skjelvende giganter bruker forskere data fra NASAs planetjakt Kepler teleskop, som overvåket lysstyrken til over 180,000 XNUMX stjerner i årevis. Dens følsomhet gjorde det mulig for astrofysikere å oppdage små endringer i stjernelys knyttet til stjernesvingninger, som påvirker både radius og lysstyrken til stjernen.

Men det er vanskelig å avkode stjernesvingninger. De kommer i to grunnleggende smaker: akustiske trykkmoduser (p-moduser), som er lydbølger som beveger seg gjennom de ytre områdene av en stjerne, og gravitasjonsmoduser (g-moduser), som er lavere i frekvens og for det meste begrenset til kjernen. . For stjerner som solen vår dominerer p-modi deres observerbare svingninger; deres g-modus, som påvirkes av indre magnetiske felt, er for svake til å oppdage og kan ikke nå stjernens overflate.

I 2011, KU Leuven astrofysiker Paul Beck og kolleger brukte Kepler-data for å vise at i røde giganter, samhandler p-moduser og g-moduser og produserer det som er kjent som en blandet modus. De blandede modusene er verktøyet som undersøker hjertet til en stjerne - de lar astronomer se g-modussvingningene - og de kan bare detekteres i røde gigantiske stjerner. Å studere blandede moduser avslørte at røde gigantiske kjerner roterer mye saktere enn stjernens gassformede konvolutt, i motsetning til hva astrofysikere hadde spådd.

Det var en overraskelse - og en mulig indikasjon på at noe avgjørende manglet i disse modellene: magnetisme.

Stellar symmetri

I fjor, Gjengen Li, en asteroseismolog nå ved KU Leuven, gravde gjennom Keplers giganter. Han lette etter et signal med blandet modus som registrerte magnetfeltet i kjernen til en rød gigant. "Utrolig nok fant jeg faktisk noen få tilfeller av dette fenomenet," sa han.

Vanligvis forekommer mixed-mode oscillasjoner i røde kjemper nesten rytmisk, og produserer et symmetrisk signal. Bugnet og andre hadde spådd at magnetiske felt ville bryte den symmetrien, men ingen var i stand til å gjøre den vanskelige observasjonen - før Li sitt team.

Li og kollegene hans fant en gigantisk trio som viste de forutsagte asymmetriene, og de regnet ut at hver stjernes magnetfelt var opp til "2,000 ganger styrken til en typisk kjøleskapsmagnet" - sterk, men i samsvar med spådommer.

En av de tre røde gigantene overrasket dem imidlertid: Signalet med blandet modus var bakover. "Vi var litt forvirret," sa Sébastien Deheuvels, en studieforfatter og en astrofysiker ved Toulouse. Deheuvels mener dette resultatet antyder at stjernens magnetfelt vippes på siden, noe som betyr at teknikken kan bestemme orienteringen til magnetiske felt, noe som er avgjørende for å oppdatere modeller for stjerneutvikling.

En andre studie, ledet av Deheuvels, brukte blandet modus asteroseismologi for å oppdage magnetiske felt i kjernene til 11 røde kjemper. Her undersøkte teamet hvordan disse feltene påvirket egenskapene til g-moduser - som, bemerket Deheuvels, kan gi en måte å bevege seg forbi røde kjemper og oppdage magnetiske felt i stjerner som ikke viser de sjeldne asymmetriene. Men først "vi ønsker å finne antall røde kjemper som viser denne oppførselen og sammenligne dem med forskjellige scenarier for dannelsen av disse magnetfeltene," sa Deheuvels.

Ikke bare et nummer

Å bruke stjerneskjelv for å undersøke stjernenes indre startet en "renessanse" i stjerneutviklingen, sa Conny Aerts, en astrofysiker ved KU Leuven.

Renessansen har vidtrekkende implikasjoner for vår forståelse av stjerner og vår plass i kosmos. Så langt vet vi den eksakte alderen på bare én stjerne - solen vår - som forskere har bestemt basert på den kjemiske sammensetningen av meteoritter som ble dannet under fødselen av solsystemet. For annenhver stjerne i universet har vi kun estimert alder basert på rotasjon og masse. Legg til intern magnetisme, og du har en måte å anslå stjerners alder med mer presisjon.

Og alder er ikke bare et tall, men et verktøy som kan bidra til å svare på noen av de mest dyptgripende spørsmålene om kosmos. Ta søket etter utenomjordisk liv. Siden 1992 har forskere sett mer enn 5,400 eksoplaneter. Det neste trinnet er å karakterisere disse verdenene og finne ut om de passer for livet. Det inkluderer å kjenne planetens alder. "Og den eneste måten du kan vite alderen på er ved å vite alderen til vertsstjernen," sa Deheuvels.

Et annet felt som krever nøyaktige stjernealdre er galaktisk arkeologi, studiet av hvordan galakser er satt sammen. Melkeveien, for eksempel, slukte mindre galakser under utviklingen; astrofysikere vet dette fordi kjemiske overflod i stjerner sporer deres aner. Men de har ikke en god tidslinje for når det skjedde - de antatte stjernealderen er ikke nøyaktige nok.

"Virkeligheten er at noen ganger er vi en faktor [av] 10 feil i stjernealderen," sa Aerts.

Studiet av magnetiske felt i stjernehjerter er fortsatt i sin spede begynnelse; det er mange ukjente når det gjelder å forstå hvordan stjerner utvikler seg. Og for Aerts er det skjønnhet i det.

"Naturen er mer fantasifull enn vi er," sa hun.

Jackson Ryans reise for denne historien ble delvis finansiert av ISTA Science Journalist in Residence Program.