Trzęsące się olbrzymy mogą rozwiązać tajemnice gwiezdnego magnetyzmu | Magazyn Quanta

Nasza planeta jest skazana na zagładę. Za kilka miliardów lat Słońce wyczerpie swoje paliwo wodorowe i spuchnie w czerwonego olbrzyma – gwiazdę tak dużą, że spali, poczernieje i pochłonie wewnętrzne planety.

Podczas gdy czerwone olbrzymy są złą wiadomością dla planet, są dobrą wiadomością dla astrofizyków. Ich serca są kluczem do zrozumienia szeregu ciał gwiezdnych, od raczkujących protogwiazd po białe karły zombie, ponieważ głęboko w nich leży niewidzialna siła, która może kształtować przeznaczenie gwiazdy: pole magnetyczne.

Pola magnetyczne w pobliżu powierzchni gwiazd są często dobrze scharakteryzowane, ale to, co dzieje się w ich jądrach, jest w większości nieznane. To się zmienia, ponieważ czerwone olbrzymy są wyjątkowo przystosowane do badania magnetyzmu głęboko w gwieździe. Naukowcy robią to, wykorzystując trzęsienia gwiazd — subtelne oscylacje na powierzchni gwiazdy — jako portal do gwiezdnych wnętrz.

„Czerwone olbrzymy mają takie oscylacje, które pozwalają na bardzo czułe badanie rdzenia” – powiedział Pościel Tima, asterosejsmolog z Uniwersytetu w Sydney, który bada czerwone olbrzymy.

W zeszłym roku zespół z Uniwersytetu w Tuluzie zdekodował te oscylacje i zmierzył znajdujące się w nich pola magnetyczne trio czerwonych olbrzymów. Na początku tego roku ten sam zespół wykryte pola magnetyczne wewnątrz kolejnych 11 czerwonych olbrzymów. Łącznie obserwacje wykazały, że serca olbrzymów są bardziej tajemnicze niż oczekiwano.

W pobliżu serca gwiazdy pola magnetyczne odgrywają kluczową rolę w mieszaniu substancji chemicznych we wnętrzu gwiazdy, co z kolei wpływa na ewolucję gwiazdy. Udoskonalając modele gwiazd i uwzględniając wewnętrzny magnetyzm, naukowcy będą mogli dokładniej obliczać wiek gwiazd. Takie pomiary mogą pomóc określić wiek potencjalnie nadających się do zamieszkania odległych planet i ustalić ramy czasowe formowania się galaktyk.

„Nie uwzględniamy magnetyzmu w modelowaniu gwiazd” – powiedział Lisa Bugnet, astrofizyk z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii, który opracował metody badania pól magnetycznych wewnątrz czerwonych olbrzymów. „To szalone, ale po prostu go tam nie ma, ponieważ nie mamy pojęcia, jak wygląda [lub] jak silny jest”.

Wpatruj się w słońce

Jedynym sposobem zbadania serca gwiazdy jest asterosejsmologia, badanie oscylacji gwiazd.

W ten sam sposób, w jaki fale sejsmiczne falujące we wnętrzu Ziemi mogą być wykorzystane do mapowania podziemnego krajobrazu planety, oscylacje gwiazd otwierają okno do wnętrzności gwiazdy. Gwiazdy oscylują, gdy ich plazma się obraca, wytwarzając fale, które niosą informacje o wewnętrznym składzie i rotacji gwiazdy. Bugnet porównuje ten proces do dzwonienia dzwonu — kształt i rozmiar dzwonu wytwarza specyficzny dźwięk, który ujawnia właściwości samego dzwonu.

Aby badać trzęsące się olbrzymy, naukowcy wykorzystują dane z polowania na planety NASA Teleskop Keplera, który przez lata monitorował jasność ponad 180,000 XNUMX gwiazd. Jego czułość pozwoliła astrofizykom wykryć drobne zmiany w świetle gwiazd związane z oscylacjami gwiazd, które wpływają zarówno na promień, jak i jasność gwiazdy.

Ale dekodowanie oscylacji gwiazd jest trudne. Występują w dwóch podstawowych odmianach: tryby ciśnienia akustycznego (mody p), które są falami dźwiękowymi przemieszczającymi się przez zewnętrzne obszary gwiazdy, oraz tryby grawitacyjne (tryby g), które mają niższą częstotliwość i są głównie ograniczone do jądra . W przypadku gwiazd takich jak nasze Słońce tryby p dominują w obserwowalnych oscylacjach; ich tryby g, na które wpływają wewnętrzne pola magnetyczne, są zbyt słabe, aby je wykryć i nie mogą dotrzeć do powierzchni gwiazdy.

W 2011 roku astrofizyk Paul Beck i współpracownicy z KU Leuven wykorzystał dane Keplera aby pokazać, że w czerwonych olbrzymach tryby p i tryby g wchodzą w interakcję i tworzą tak zwany tryb mieszany. Mody mieszane to narzędzie, które sonduje serce gwiazdy – pozwalają astronomom zobaczyć oscylacje w trybie g – i są wykrywalne tylko w czerwonych olbrzymach. Badanie trybów mieszanych ujawniło, że rdzenie czerwonych olbrzymów obracają się znacznie wolniej niż otoczka gazowa gwiazdy, wbrew temu, co przewidywali astrofizycy.

To była niespodzianka — i możliwa wskazówka, że ​​w tych modelach brakowało czegoś kluczowego: magnetyzmu.

Symetria gwiazd

W zeszłym roku, Gang Li, asterosejsmolog z KU Leuven, przekopywał się przez giganty Keplera. Szukał sygnału w trybie mieszanym, który rejestrował pole magnetyczne w rdzeniu czerwonego olbrzyma. „Co zadziwiające, znalazłem kilka przypadków tego zjawiska” – powiedział.

Zazwyczaj oscylacje w trybie mieszanym w czerwonych olbrzymach zachodzą prawie rytmicznie, wytwarzając sygnał symetryczny. Bugnet i inni mieli Przewiduje że pola magnetyczne złamią tę symetrię, ale nikt nie był w stanie dokonać tej trudnej obserwacji — aż do zespołu Li.

Li i jego koledzy znaleźli gigantyczne trio, które wykazywało przewidywane asymetrie, i obliczyli, że pole magnetyczne każdej gwiazdy było aż do „2,000 razy silniejszy od typowego magnesu na lodówkę” — silny, ale zgodny z przewidywaniami.

Jednak jeden z trzech czerwonych olbrzymów zaskoczył ich: jego sygnał w trybie mieszanym był wsteczny. „Byliśmy trochę zdziwieni” – powiedział Sebastiena Deheuvelsa, autor badań i astrofizyk w Tuluzie. Deheuvels uważa, że ​​ten wynik sugeruje, że pole magnetyczne gwiazdy jest przechylone na bok, co oznacza, że ​​technika może określić orientację pól magnetycznych, co ma kluczowe znaczenie dla aktualizacji modeli ewolucji gwiazd.

Drugie badanie, prowadzone przez Deheuvelsa, wykorzystało asterosejsmologię w trybie mieszanym do wykrycia pól magnetycznych w rdzeniach 11 czerwonych olbrzymów. Tutaj zespół zbadał, w jaki sposób pola te wpłynęły na właściwości trybów g – co, jak zauważył Deheuvels, może zapewnić sposób na wyjście poza czerwone olbrzymy i wykrywanie pól magnetycznych w gwiazdach, które nie wykazują tych rzadkich asymetrii. Ale najpierw „chcemy znaleźć liczbę czerwonych olbrzymów, które wykazują takie zachowanie i porównać je z różnymi scenariuszami powstawania tych pól magnetycznych” – powiedział Deheuvels.

Nie tylko liczba

Używanie trzęsień gwiazd do badania wnętrz gwiazd zapoczątkowało „renesans” w ewolucji gwiazd, powiedział Conny'ego Aertsa, astrofizyk z KU Leuven.

Renesans ma daleko idące implikacje dla naszego rozumienia gwiazd i naszego miejsca w kosmosie. Jak dotąd znamy dokładny wiek tylko jednej gwiazdy — naszego Słońca — który naukowcy ustalili na podstawie składu chemicznego meteorytów powstałych podczas narodziny układu słonecznego. Dla każdej innej gwiazdy we wszechświecie oszacowaliśmy wiek tylko na podstawie rotacji i masy. Dodaj wewnętrzny magnetyzm i masz sposób na oszacowanie wieku gwiazd z większą precyzją.

A wiek to nie tylko liczba, ale narzędzie, które może pomóc odpowiedzieć na niektóre z najgłębszych pytań dotyczących kosmosu. Weź udział w poszukiwaniu życia pozaziemskiego. Od 1992 roku naukowcy dostrzegli ponad 5,400 egzoplanet. Następnym krokiem jest scharakteryzowanie tych światów i określenie, czy nadają się do życia. Obejmuje to znajomość wieku planety. „A jedynym sposobem na poznanie jej wieku jest poznanie wieku gwiazdy macierzystej” – powiedział Deheuvels.

Inną dziedziną, która wymaga dokładnego określenia wieku gwiazd, jest archeologia galaktyczna, badanie sposobu składania galaktyk. Na przykład Droga Mleczna pochłonęła mniejsze galaktyki podczas swojej ewolucji; astrofizycy wiedzą o tym, ponieważ obfitość związków chemicznych w gwiazdach wskazuje na ich pochodzenie. Ale nie mają dobrego harmonogramu, kiedy to się stało – wywnioskowany wiek gwiazd nie jest wystarczająco dokładny.

„Rzeczywistość jest taka, że ​​czasami mylimy się o czynnik 10 w wieku gwiazd” – powiedział Aerts.

Badanie pól magnetycznych w gwiezdnych sercach jest wciąż w powijakach; istnieje wiele niewiadomych, jeśli chodzi o zrozumienie ewolucji gwiazd. A dla Aertsa jest w tym piękno.

„Natura ma większą wyobraźnię niż my” – powiedziała.

Podróż Jacksona Ryana w związku z tą historią była częściowo finansowana przez program rezydencji dla dziennikarzy naukowych ISTA.