Quaking Giants kan lösa mysterierna med stjärnmagnetism | Quanta Magazine

Vår planet är dödsdömd. Om några miljarder år kommer solen att tömma sitt vätebränsle och svälla till en röd jätte - en stjärna så stor att den kommer att bränna, svartna och svälja de inre planeterna.

Medan röda jättar är dåliga nyheter för planeter, är de goda nyheter för astrofysiker. Deras hjärtan har nycklarna till att förstå en rad stjärnkroppar, från nystartade protostjärnor till zombievita dvärgar, för djupt inom dem finns en osynlig kraft som kan forma en stjärnas öde: magnetfältet.

Magnetiska fält nära stjärnornas ytor är ofta väl karakteriserade, men vad som händer i deras kärnor är för det mesta okänt. Det håller på att förändras, eftersom röda jättar är unikt lämpade för att studera magnetism djupt inne i en stjärna. Forskare gör detta genom att använda stjärnbävningar - subtila svängningar på en stjärnas yta - som en portal till stjärnors interiörer.

"Röda jättar har dessa svängningar som gör att du kan sondera kärnan mycket känsligt," sa Tim Sängkläder, en asteroseismolog vid University of Sydney som studerar röda jättestjärnor.

Förra året avkodade ett team vid University of Toulouse dessa svängningar och mätte magnetfälten inom en trio av röda jättar. Tidigare i år, samma lag detekterade magnetfält inuti ytterligare 11 röda jättar. Tillsammans visade observationerna att jättarnas hjärtan är mer mystiska än väntat.

Nära en stjärnas hjärta spelar magnetfält avgörande roller för kemisk blandning i stjärnans inre, vilket i sin tur påverkar hur en stjärna utvecklas. Genom att förfina stjärnmodeller och inkludera intern magnetism kommer forskare att kunna beräkna stjärnåldern mer exakt. Sådana mätningar kan hjälpa till att bestämma åldrarna på potentiellt beboeliga avlägsna planeter och fastställa tidslinjerna för galaxbildningen.

"Vi inkluderar inte magnetism i stjärnmodellering," sa Lisa Bugnet, en astrofysiker vid Institute of Science and Technology Österrike som utvecklade metoder för att studera magnetfält inuti röda jättar. "Det är galet, men det är bara inte där för vi har ingen aning om hur det ser ut [eller] hur starkt det är."

Stirra in i solen

Det enda sättet att undersöka en stjärnas hjärta är med asteroseismologi, studiet av stjärnsvängningar.

På samma sätt som seismiska vågor som skvalpar genom jordens inre kan användas för att kartlägga planetens underjordiska landskap, öppnar stjärnsvängningar ett fönster in i en stjärnas inre. Stjärnor svänger när deras plasma cirkulerar och producerar vågor som bär information om en stjärnas inre sammansättning och rotation. Bugnet jämför processen med en ringande klocka - formen och storleken på en klocka producerar ett specifikt ljud som avslöjar egenskaperna hos själva klockan.

För att studera skakande jättar använder forskare data från NASA:s planetjakt Kepler teleskop, som övervakade ljusstyrkan hos över 180,000 XNUMX stjärnor i flera år. Dess känslighet gjorde det möjligt för astrofysiker att upptäcka små förändringar i stjärnljus kopplade till stjärnsvängningar, som påverkar både radien och ljusstyrkan hos stjärnan.

Men att avkoda stjärnsvängningar är knepigt. De finns i två grundläggande smaker: akustiska trycklägen (p-lägen), som är ljudvågor som rör sig genom de yttre områdena av en stjärna, och gravitationslägen (g-lägen), som är lägre i frekvens och mestadels begränsade till kärnan . För stjärnor som vår sol dominerar p-lägen deras observerbara svängningar; deras g-lägen, som påverkas av interna magnetfält, är för svaga för att upptäcka och kan inte nå stjärnans yta.

Under 2011, KU Leuven astrofysiker Paul Beck och kollegor använd Kepler-data för att visa att i röda jättar interagerar p-lägen och g-lägen och producerar det som kallas ett blandat läge. De blandade lägena är verktyget som undersöker hjärtat av en stjärna - de tillåter astronomer att se g-lägessvängningarna - och de kan bara detekteras i röda jättestjärnor. Att studera blandade lägen visade att röda jättekärnor roterar mycket långsammare än stjärnans gashölje, i motsats till vad astrofysiker hade förutspått.

Det var en överraskning - och en möjlig indikation på att något avgörande saknades i dessa modeller: magnetism.

Stjärnsymmetri

Förra året, Gäng Li, en asteroseismolog nu vid KU Leuven, grävde igenom Keplers jättar. Han letade efter en signal med blandat läge som registrerade magnetfältet i kärnan av en röd jätte. "Förvånande nog hittade jag faktiskt några exempel på detta fenomen," sa han.

Vanligtvis sker blandade oscillationer i röda jättar nästan rytmiskt, vilket ger en symmetrisk signal. Bugnet och andra hade förutsagda att magnetfält skulle bryta den symmetrin, men ingen kunde göra den där knepiga observationen - förrän Lis team.

Li och hans kollegor hittade en gigantisk trio som uppvisade de förutsagda asymmetrierna, och de beräknade att varje stjärnas magnetfält var upp till "2,000 XNUMX gånger styrkan hos en typisk kylskåpsmagnet" - stark, men överensstämmer med förutsägelser.

Men en av de tre röda jättarna förvånade dem: Dess mixed-mode-signal var bakåtriktad. "Vi var lite förbryllade," sa Sébastien Deheuvels, en studieförfattare och en astrofysiker vid Toulouse. Deheuvels tror att detta resultat tyder på att stjärnans magnetfält tippas på sidan, vilket betyder att tekniken kan bestämma orienteringen av magnetiska fält, vilket är avgörande för att uppdatera modeller av stjärnutveckling.

En andra studie, ledd av Deheuvels, använde mixed-mode asteroseismologi för att detektera magnetiska fält i kärnorna hos 11 röda jättar. Här undersökte teamet hur dessa fält påverkade egenskaperna hos g-lägen - vilket, Deheuvels, kan ge ett sätt att gå bortom röda jättar och upptäcka magnetiska fält i stjärnor som inte visar de sällsynta asymmetrierna. Men först "vill vi hitta antalet röda jättar som visar detta beteende och jämföra dem med olika scenarier för bildandet av dessa magnetfält," sa Deheuvels.

Inte bara ett nummer

Att använda stjärnbävningar för att undersöka stjärnornas interiör startade en "renässans" i stjärnutvecklingen, sa Conny Aerts, en astrofysiker vid KU Leuven.

Renässansen har långtgående konsekvenser för vår förståelse av stjärnor och av vår plats i kosmos. Än så länge vet vi den exakta åldern på bara en stjärna - vår sol - som forskare bestämt baserat på den kemiska sammansättningen av meteoriter som bildades under solsystemets födelse. För varannan stjärna i universum har vi bara uppskattade åldrar baserat på rotation och massa. Lägg till intern magnetism, och du har ett sätt att uppskatta stjärnålder med mer precision.

Och ålder är inte bara en siffra, utan ett verktyg som kan hjälpa till att svara på några av de mest djupgående frågorna om kosmos. Ta sökandet efter utomjordiskt liv. Sedan 1992 har forskare sett mer än 5,400 XNUMX exoplaneter. Nästa steg är att karakterisera dessa världar och avgöra om de är lämpliga för livet. Det inkluderar att känna till planetens ålder. "Och det enda sättet du kan veta dess ålder är genom att veta värdstjärnans ålder," sa Deheuvels.

Ett annat område som kräver exakta stjärnålder är galaktisk arkeologi, studiet av hur galaxer är sammansatta. Vintergatan, till exempel, slukade upp mindre galaxer under sin evolution; astrofysiker vet detta eftersom kemiska förekomster i stjärnor spårar deras härkomst. Men de har ingen bra tidslinje för när det hände - de antagna stjärnåldrarna är inte tillräckligt exakta.

"Verkligheten är, ibland är vi en faktor [av] 10 fel i stjärnålder," sa Aerts.

Studiet av magnetfält inom stjärnhjärtan är fortfarande i sin linda; det finns många okända när det gäller att förstå hur stjärnor utvecklas. Och för Aerts finns det skönhet i det.

"Naturen är mer fantasifull än vi är," sa hon.

Jackson Ryans resa för den här historien finansierades delvis av ISTA Science Journalist in Residence-programmet.