Drhteči velikani bi lahko rešili skrivnosti zvezdnega magnetizma | Revija Quanta

Naš planet je obsojen na propad. V nekaj milijardah let bo sonce izčrpalo svoje vodikovo gorivo in se bo razmahnilo v rdečega velikana - tako veliko zvezdo, da bo ožgala, počrnila in pogoltnila notranje planete.

Medtem ko so rdeči orjaki slaba novica za planete, so dobra novica za astrofizike. Njihova srca imajo ključ do razumevanja vrste zvezdnih teles, od novonastalih protozvezd do belih pritlikavcev zombijev, saj globoko v njih leži nevidna sila, ki lahko oblikuje usodo zvezde: magnetno polje.

Magnetna polja v bližini površin zvezd so pogosto dobro opredeljena, vendar je večinoma neznano, kaj se dogaja v njihovih jedrih. To se spreminja, ker so rdeče velikanke edinstveno primerne za preučevanje magnetizma globoko v zvezdi. Znanstveniki to počnejo z uporabo zvezdnih potresov – subtilnih nihanj na površini zvezde – kot portala v zvezdno notranjost.

"Rdeči velikani imajo ta nihanja, ki vam omogočajo zelo občutljivo sondiranje jedra," je dejal Tim Posteljnina, asteroseizmolog na Univerzi v Sydneyju, ki proučuje rdeče zvezde velikanke.

Lansko leto je ekipa na Univerzi v Toulousu dekodirala ta nihanja in izmerila magnetna polja znotraj trio rdečih velikanov. V začetku tega leta ista ekipa zaznana magnetna polja znotraj nadaljnjih 11 rdečih velikanov. Skupaj so opazovanja pokazala, da so srca velikanov bolj skrivnostna, kot je bilo pričakovano.

V bližini srca zvezde imajo magnetna polja ključno vlogo pri kemičnem mešanju v notranjosti zvezde, kar posledično vpliva na razvoj zvezde. Z izboljšanjem zvezdnih modelov in vključitvijo notranjega magnetizma bodo znanstveniki lahko natančneje izračunali starost zvezd. Takšne meritve bi lahko pomagale določiti starost potencialno naseljivih oddaljenih planetov in določiti časovne okvire nastanka galaksij.

"Magnetizma ne vključujemo v modeliranje zvezd," je rekel Lisa Bugnet, astrofizik na Inštitutu za znanost in tehnologijo v Avstriji, ki je razvil metode za preučevanje magnetnih polj znotraj rdečih velikank. "To je noro, vendar ga preprosto ni, ker nimamo pojma, kako izgleda [ali] kako močan je."

Strmeti v sonce

Edini način za raziskovanje srca zvezde je asteroseizmologija, študija zvezdnih nihanj.

Na enak način, kot se lahko seizmični valovi, ki valovijo skozi Zemljino notranjost, uporabijo za preslikavo podzemne pokrajine planeta, zvezdna nihanja odpirajo okno v zvezdino notranjost. Zvezde nihajo, ko se njihova plazma vrti in proizvaja valove, ki prenašajo informacije o notranji sestavi in ​​rotaciji zvezde. Bugnet postopek primerja z zvonjenjem – oblika in velikost zvona proizvaja specifičen zvok, ki razkriva lastnosti zvona samega.

Za preučevanje tresočih se velikanov znanstveniki uporabljajo podatke Nasinega lova na planete Keplerjev teleskop, ki je leta spremljal sij več kot 180,000 zvezd. Njegova občutljivost je astrofizikom omogočila zaznavanje majhnih sprememb v svetlobi zvezd, povezanih z zvezdnimi nihanji, ki vplivajo tako na polmer kot na svetlost zvezde.

Toda dekodiranje zvezdnih nihanj je težavno. Na voljo so v dveh osnovnih okusih: načini akustičnega tlaka (p-načini), ki so zvočni valovi, ki se premikajo skozi zunanja področja zvezde, in gravitacijski načini (g-načini), ki so nižje frekvence in večinoma omejeni na jedro. . Pri zvezdah, kot je naše sonce, p-načini prevladujejo nad njihovimi opaznimi nihanji; njihovi g-načini, na katere vplivajo notranja magnetna polja, so prešibki za zaznavanje in ne morejo doseči površine zvezde.

Leta 2011 je astrofizik KU Leuven Paul Beck s sodelavci uporabili Keplerjeve podatke pokazati, da pri rdečih velikanih p-modi in g-modi medsebojno delujejo in proizvajajo tako imenovani mešani način. Mešani načini so orodje, ki preiskuje srce zvezde – astronomom omogočajo, da vidijo nihanje g-mode – in jih je mogoče zaznati samo v rdečih zvezdah velikankah. Preučevanje mešanih načinov je razkrilo, da se jedra rdečih velikank vrtijo veliko počasneje kot plinski ovoj zvezde, v nasprotju s tem, kar so napovedovali astrofiziki.

To je bilo presenečenje - in možen znak, da v teh modelih manjka nekaj ključnega: magnetizem.

Zvezdna simetrija

Lansko leto, Gang Li, asteroseizmolog, ki je zdaj na KU Leuven, je kopal po Keplerjevih velikanih. Iskal je mešani signal, ki je posnel magnetno polje v jedru rdečega velikana. "Presenetljivo je, da sem dejansko našel nekaj primerov tega pojava," je dejal.

Značilno je, da se mešana nihanja v rdečih velikanih pojavljajo skoraj ritmično in proizvajajo simetričen signal. Bugnet in drugi so imeli napovedano da bi magnetna polja porušila to simetrijo, vendar nihče ni mogel izvesti te zapletene ugotovitve - vse do Lijeve ekipe.

Li in njegovi kolegi so našli velikanski trio, ki je kazal predvidene asimetrije, in izračunali, da je magnetno polje vsake zvezde do "2,000-krat močnejša od tipičnega magneta za hladilnik" - močan, a skladen z napovedmi.

Vendar jih je eden od treh rdečih velikanov presenetil: njegov mešani signal je bil nazaj. "Bili smo nekoliko zmedeni," je dejal Sébastien Deheuvels, avtor študije in astrofizik v Toulousu. Deheuvels meni, da ta rezultat nakazuje, da je magnetno polje zvezde nagnjeno na bok, kar pomeni, da bi tehnika lahko določila orientacijo magnetnih polj, kar je ključnega pomena za posodabljanje modelov evolucije zvezd.

Druga študija, ki jo je vodil Deheuvels, je uporabila asteroseizmologijo mešanega načina za odkrivanje magnetnih polj v jedrih 11 rdečih velikanov. Tukaj je ekipa raziskala, kako so ta polja vplivala na lastnosti g-načinov - ki, kot je opozoril Deheuvels, lahko zagotovijo način, kako premakniti rdeče velikane in zaznati magnetna polja v zvezdah, ki ne kažejo teh redkih asimetrij. Toda najprej želimo najti število rdečih velikanov, ki kažejo to vedenje, in jih primerjati z različnimi scenariji za nastanek teh magnetnih polj, je dejal Deheuvels.

Ne samo številka

Uporaba zvezdnih potresov za raziskovanje notranjosti zvezd je sprožila "renesanso" v evoluciji zvezd, je dejal Conny Aerts, astrofizik na KU Leuven.

Renesansa ima daljnosežne posledice za naše razumevanje zvezd in našega mesta v vesolju. Zaenkrat poznamo natančno starost samo ene zvezde – našega sonca – ki so jo znanstveniki določili na podlagi kemične sestave meteoritov, ki so nastali med rojstvo sončnega sistema. Za vsako drugo zvezdo v vesolju imamo samo ocenjeno starost na podlagi rotacije in mase. Dodajte notranji magnetizem in imeli boste način za natančnejšo oceno starosti zvezd.

In starost ni samo številka, ampak orodje, ki bi lahko pomagalo odgovoriti na nekatera najgloblja vprašanja o vesolju. Vzemite iskanje nezemeljskega življenja. Od leta 1992 so znanstveniki opazili več kot 5,400 eksoplanetov. Naslednji korak je opredeliti te svetove in ugotoviti, ali so primerni za življenje. To vključuje poznavanje starosti planeta. "In edini način, da izveš njegovo starost, je, da poznaš starost gostiteljske zvezde," je dejal Deheuvels.

Drugo področje, ki zahteva natančno starost zvezd, je galaktična arheologija, preučevanje, kako so galaksije sestavljene. Mlečna cesta je na primer med svojim razvojem požrla manjše galaksije; astrofiziki to vedo, ker kemične količine v zvezdah sledijo njihovemu izvoru. Vendar nimajo dobre časovnice, kdaj se je to zgodilo – ugotovljena starost zvezd ni dovolj točna.

"Resničnost je taka, da smo včasih faktor [od] 10 napačni v zvezdni dobi," je dejal Aerts.

Preučevanje magnetnih polj v zvezdnih srcih je še vedno v povojih; obstaja veliko neznank, ko gre za razumevanje, kako se zvezde razvijajo. In za Aertsa je v tem lepota.

"Narava je bolj domiselna kot mi," je rekla.

Potovanje Jacksona Ryana za to zgodbo je delno financiral program ISTA Science Journalist in Residence.