Uriașii tremurători ar putea rezolva misterele magnetismului stelar | Revista Quanta

Planeta noastră este condamnată. În câteva miliarde de ani, soarele își va epuiza combustibilul de hidrogen și se va umfla într-o gigantă roșie - o stea atât de mare încât va pârjoli, înnegri și înghiți planetele interioare.

În timp ce giganții roșii sunt vești proaste pentru planete, ele sunt o veste bună pentru astrofizicieni. Inimile lor dețin cheile pentru înțelegerea unei game de corpuri stelare, de la protostele în curs de dezvoltare până la pitici albe zombie, deoarece în adâncul lor se află o forță invizibilă care poate modela destinul unei stele: câmpul magnetic.

Câmpurile magnetice din apropierea suprafețelor stelelor sunt adesea bine caracterizate, dar ceea ce se întâmplă în nucleele lor este în mare parte necunoscut. Acest lucru se schimbă, deoarece giganții roșii sunt potriviti în mod unic pentru a studia magnetismul în adâncul unei stele. Oamenii de știință fac acest lucru folosind cutremure stelare - oscilații subtile la suprafața unei stele - ca un portal către interioarele stelare.

„Giantii roșii au aceste oscilații care vă permit să sondați nucleul foarte sensibil”, a spus Tim Bedding, un asteroseismolog la Universitatea din Sydney care studiază stelele gigantice roșii.

Anul trecut, o echipă de la Universitatea din Toulouse a decodificat acele oscilații și a măsurat câmpurile magnetice din un trio de giganți roșii. La începutul acestui an, aceeași echipă câmpuri magnetice detectate în interiorul altor 11 giganți roșii. Împreună, observațiile au arătat că inimile giganților sunt mai misterioase decât se aștepta.

Aproape de inima unei stele, câmpurile magnetice joacă un rol crucial în amestecarea chimică din interiorul stelei, care, la rândul său, afectează modul în care evoluează o stea. Prin rafinarea modelelor stelare și prin includerea magnetismului intern, oamenii de știință vor putea calcula vârstele stelare mai precis. Astfel de măsurători ar putea ajuta la determinarea vârstelor planetelor îndepărtate potențial locuibile și la stabilirea cronologiei formării galaxiilor.

„Nu includem magnetismul în modelarea stelar”, a spus Lisa Bugnet, un astrofizician la Institutul de Știință și Tehnologie din Austria care a dezvoltat metode pentru studierea câmpurilor magnetice din interiorul giganților roșii. „Este o nebunie, dar pur și simplu nu există pentru că nu avem idee cum arată [sau] cât de puternic este.”

Privește în soare

Singura modalitate de a sonda inima unei stele este cu asterosismologia, studiul oscilațiilor stelare.

În același mod în care undele seismice care se răspândesc prin interiorul Pământului pot fi folosite pentru a cartografi peisajul subteran al planetei, oscilațiile stelare deschid o fereastră în interiorul unei stele. Stelele oscilează în timp ce plasma lor se agita, producând unde care transportă informații despre compoziția internă și rotația unei stele. Bugnet compară procesul cu un clopot care sună - forma și dimensiunea unui clopot produce un sunet specific care dezvăluie proprietățile clopotului în sine.

Pentru a studia giganții tremurători, oamenii de știință folosesc date din vânătoarea de planete de către NASA Telescopul Kepler, care a monitorizat ani de zile luminozitatea a peste 180,000 de stele. Sensibilitatea sa a permis astrofizicienilor să detecteze modificări minuscule ale luminii stelare legate de oscilațiile stelare, care afectează atât raza, cât și luminozitatea stelei.

Dar decodarea oscilațiilor stelare este dificilă. Ele vin în două variante de bază: moduri de presiune acustică (modurile p), care sunt unde sonore care se deplasează prin regiunile exterioare ale unei stele și moduri gravitaționale (modurile g), care sunt mai mici ca frecvență și în mare parte limitate la miez. . Pentru stelele precum soarele nostru, modurile p domină oscilațiile lor observabile; modurile lor g, care sunt afectate de câmpurile magnetice interne, sunt prea slabe pentru a fi detectate și nu pot ajunge la suprafața stelei.

În 2011, astrofizicianul KU Leuven Paul Beck și colegii săi au folosit datele Kepler pentru a arăta că în giganții roșii, modurile p și modurile g interacționează și produc ceea ce este cunoscut ca un mod mixt. Modurile mixte sunt instrumentul care sondează inima unei stele - le permit astronomilor să vadă oscilațiile în modul g - și sunt detectabile doar în stelele gigantice roșii. Studierea modurilor mixte a arătat că nucleele gigantice roșii se rotesc mult mai lent decât învelișul gazos al stelei, contrar a ceea ce preziseseră astrofizicienii.

Aceasta a fost o surpriză – și un posibil indiciu că ceva crucial lipsea din acele modele: magnetismul.

Simetria stelară

Anul trecut, Gang Li, un asterosismolog acum la KU Leuven, a săpat prin giganții lui Kepler. Căuta un semnal mixt care să înregistreze câmpul magnetic din miezul unei gigante roșii. „În mod uimitor, am găsit de fapt câteva exemple ale acestui fenomen”, a spus el.

De obicei, oscilațiile în mod mixt la giganții roșii apar aproape ritmic, producând un semnal simetric. Bugnet și alții aveau a prezis că câmpurile magnetice ar rupe acea simetrie, dar nimeni nu a fost capabil să facă acea observație dificilă - până când echipa lui Li.

Li și colegii săi au găsit un trio gigant care prezenta asimetriile prezise și au calculat că câmpul magnetic al fiecărei stele era pâna la „De 2,000 de ori puterea unui magnet tipic de frigider” – puternic, dar în concordanță cu predicțiile.

Cu toate acestea, unul dintre cei trei giganți roșii i-a surprins: semnalul său în modul mixt era invers. „Am fost puțin nedumeriți”, a spus Sébastien Deheuvels, autor de studiu și astrofizician la Toulouse. Deheuvels crede că acest rezultat sugerează că câmpul magnetic al stelei este înclinat pe o parte, ceea ce înseamnă că tehnica ar putea determina orientarea câmpurilor magnetice, ceea ce este crucial pentru actualizarea modelelor de evoluție stelară.

Un al doilea studiu, condus de Deheuvels, a folosit asterosismologia în mod mixt pentru a detecta câmpurile magnetice în nucleele a 11 giganți roșii. Aici, echipa a explorat modul în care acele câmpuri au afectat proprietățile modurilor g - care, a remarcat Deheuvels, ar putea oferi o modalitate de a trece dincolo de giganții roșii și de a detecta câmpuri magnetice în stele care nu prezintă acele asimetrii rare. Dar mai întâi „vrem să aflăm numărul de giganți roșii care arată acest comportament și să le comparăm cu diferite scenarii pentru formarea acestor câmpuri magnetice”, a spus Deheuvels.

Nu doar un număr

Utilizarea cutremurelor stelare pentru a investiga interioarele stelelor a dat startul unei „renașteri” în evoluția stelară, a spus Conny Aerts, astrofizician la KU Leuven.

Renașterea are implicații de anvergură pentru înțelegerea noastră asupra stelelor și a locului nostru în cosmos. Până acum, știm vârsta exactă a unei singure stele - soarele nostru - pe care oamenii de știință au determinat-o pe baza compoziției chimice a meteoriților care s-au format în timpul nașterea sistemului solar. Pentru fiecare altă stea din univers, avem doar vârste estimate bazate pe rotație și masă. Adăugați magnetism intern și aveți o modalitate de a estima vârstele stelare cu mai multă precizie.

Iar vârsta nu este doar un număr, ci un instrument care ar putea ajuta să răspundă la unele dintre cele mai profunde întrebări despre cosmos. Luați în căutarea vieții extraterestre. Din 1992, oamenii de știință au observat peste 5,400 de exoplanete. Următorul pas este de a caracteriza acele lumi și de a determina dacă sunt potrivite pentru viață. Aceasta include cunoașterea vârstei planetei. „Și singurul mod în care poți să-i cunoști vârsta este știind vârsta starului gazdă”, a spus Deheuvels.

Un alt domeniu care necesită epoci stelare precise este arheologia galactică, studiul modului în care sunt asamblate galaxiile. Calea Lactee, de exemplu, a înghițit galaxii mai mici în timpul evoluției sale; astrofizicienii știu acest lucru deoarece abundența chimică din stele își urmărește strămoșii. Dar nu au o cronologie bună pentru momentul în care s-a întâmplat asta - vârstele stelare deduse nu sunt suficient de precise.

„Realitatea este că, uneori, greșim un factor [de] 10 în vârsta stelară”, a spus Aerts.

Studiul câmpurilor magnetice din inimile stelare este încă la început; există multe necunoscute când vine vorba de înțelegerea modului în care evoluează stelele. Și pentru Aerts, există frumusețe în asta.

„Natura este mai imaginativă decât suntem noi”, a spus ea.

Călătoria lui Jackson Ryan pentru această poveste a fost finanțată parțial de programul ISTA Science Journalist in Residence.