Тремтячі гіганти можуть розгадати таємниці зоряного магнетизму | Журнал Quanta

Наша планета приречена. За кілька мільярдів років сонце вичерпає своє водневе паливо й перетвориться на червоного гіганта — настільки велику зірку, що спалить, почорніє й поглине внутрішні планети.

У той час як червоні гіганти є поганою новиною для планет, вони хороші новини для астрофізиків. У їхніх серцях зберігаються ключі до розуміння низки зоряних тіл, від молодих протозірок до білих карликів-зомбі, тому що глибоко в них лежить невидима сила, яка може сформувати долю зірки: магнітне поле.

Магнітні поля біля поверхонь зірок часто добре охарактеризовані, але що відбувається в їх ядрах здебільшого невідомо. Це змінюється, тому що червоні гіганти унікально підходять для вивчення магнетизму всередині зірки. Вчені роблять це, використовуючи зоретруси — ледве помітні коливання на поверхні зірки — як портал у зоряні нутрощі.

«Червоні гіганти мають такі коливання, які дозволяють дуже чутливо досліджувати ядро», — сказав Тім Постільна білизна, астеросейсмолог Сіднейського університету, який вивчає червоні гіганти.

Минулого року команда з Університету Тулузи розшифрувала ці коливання та виміряла магнітні поля всередині тріо червоних гігантів. Раніше цього року та сама команда виявлені магнітні поля всередині ще 11 червоних гігантів. Разом спостереження показали, що серця гігантів більш загадкові, ніж очікувалося.

Поруч із серцем зірки магнітні поля відіграють вирішальну роль у хімічному змішуванні всередині зірки, що, у свою чергу, впливає на еволюцію зірки. Удосконалюючи моделі зірок і враховуючи внутрішній магнетизм, вчені зможуть точніше обчислювати вік зірок. Такі вимірювання можуть допомогти визначити вік потенційно придатних для життя далеких планет і визначити часові рамки формування галактик.

«Ми не включаємо магнетизм у моделювання зірок», — сказав Ліза Багнет, астрофізик з Інституту науки і технологій Австрії, який розробив методи дослідження магнітних полів всередині червоних гігантів. «Це божевілля, але його просто немає, тому що ми не маємо уявлення, як він виглядає [і] наскільки він міцний».

Дивіться на сонце

Єдиний спосіб дослідити серце зірки — це астеросейсмологія, дослідження коливань зірок.

Подібно до того, як сейсмічні хвилі, що проходять через надра Землі, можна використовувати для картографування підземного ландшафту планети, зоряні коливання відкривають вікно в нутрощі зірки. Зірки коливаються, коли їхня плазма збивається, створюючи хвилі, які передають інформацію про внутрішній склад і обертання зірки. Багнет порівнює процес із дзвоном у дзвін — форма й розмір дзвона створюють специфічний звук, який розкриває властивості самого дзвону.

Щоб досліджувати тремтячі гіганти, вчені використовують дані полювання на планети НАСА Телескоп Кеплер, який протягом багатьох років спостерігав за яскравістю понад 180,000 XNUMX зірок. Його чутливість дозволила астрофізикам виявляти дрібні зміни у світлі зірок, пов’язані з коливаннями зірок, які впливають як на радіус, так і на яскравість зірки.

Але розшифрувати зіркові коливання складно. Вони бувають двох основних типів: моди акустичного тиску (p-моди), які є звуковими хвилями, що рухаються через зовнішні області зірки, і гравітаційні моди (g-моди), які мають нижчу частоту та здебільшого обмежені ядром. . Для таких зірок, як наше Сонце, p-моди домінують у спостережуваних коливаннях; їх g-моди, на які впливають внутрішні магнітні поля, занадто слабкі для виявлення й не можуть досягти поверхні зірки.

У 2011 році астрофізик KU Leuven Paul Beck і його колеги використав дані Kepler щоб показати, що в червоних гігантів p-моди та g-моди взаємодіють і створюють так званий змішаний режим. Змішані моди — це інструмент, який досліджує серце зірки — вони дозволяють астрономам бачити коливання g-моди — і їх можна виявити лише в червоних гігантах. Вивчення змішаних режимів показало, що ядра червоних гігантів обертаються набагато повільніше, ніж газова оболонка зірки, всупереч прогнозам астрофізиків.

Це було несподіванкою — і можливою ознакою того, що в цих моделях не вистачає чогось важливого: магнетизму.

Зоряна симетрія

Торік, Ган Лі, астеросейсмолог, який тепер працює в KU Leuven, почав копати гіганти Кеплера. Він шукав змішаний сигнал, який фіксував магнітне поле в ядрі червоного гіганта. «Дивно, але я насправді знайшов кілька випадків цього явища», — сказав він.

Як правило, змішані коливання в червоних гігантах відбуваються майже ритмічно, створюючи симетричний сигнал. Бугнет та ін передвіщений що магнітні поля порушать цю симетрію, але ніхто не зміг зробити це складне спостереження — до команди Лі.

Лі та його колеги знайшли гігантське тріо, яке демонструвало передбачені асиметрії, і вони підрахували, що магнітне поле кожної зірки було аж до «У 2,000 разів сильніше звичайного магніту на холодильник» — сильний, але відповідає прогнозам.

Однак один із трьох червоних гігантів здивував їх: його змішаний сигнал був зворотним. "Ми були трохи спантеличені", - сказав Себастьян Дехевельс, автор дослідження та астрофізик у Тулузі. Дехевельс вважає, що цей результат свідчить про те, що магнітне поле зірки нахилене на бік, а це означає, що ця техніка може визначити орієнтацію магнітних полів, що має вирішальне значення для оновлення моделей еволюції зірок.

У другому дослідженні, очолюваному Deheuvels, використовувалася змішана астеросейсмологія для виявлення магнітних полів в ядрах 11 червоних гігантів. Тут команда дослідила, як ці поля вплинули на властивості g-мод — що, як зазначив Дехевельс, може дати спосіб вийти за межі червоних гігантів і виявити магнітні поля в зірках, які не демонструють рідкісних асиметрій. Але спочатку «ми хочемо знайти кількість червоних гігантів, які демонструють таку поведінку, і порівняти їх з різними сценаріями формування цих магнітних полів», — сказав Дехевельс.

Не просто номер

Використання зоретрусів для дослідження внутрішньої частини зірок поклало початок «ренесансу» в еволюції зірок, сказав Конні Ертс, астрофізик KU Leuven.

Епоха Відродження має далекосяжні наслідки для нашого розуміння зірок і нашого місця у космосі. Поки що ми знаємо точний вік лише однієї зірки — нашого Сонця, — який вчені визначили на основі хімічного складу метеоритів, що утворилися під час народження Сонячної системи. Для кожної іншої зірки у Всесвіті ми маємо лише приблизний вік на основі обертання та маси. Додайте внутрішній магнетизм, і ви зможете точніше оцінювати вік зірок.

А вік — це не просто цифра, а інструмент, який може допомогти відповісти на деякі з найглибших питань про космос. Візьміть пошуки позаземного життя. З 1992 року вчені помітили понад 5,400 екзопланет. Наступний крок — охарактеризувати ці світи та визначити, чи придатні вони для життя. Це включає знання віку планети. «І єдиний спосіб дізнатися його вік — це знати вік головної зірки», — сказав Дехевельс.

Ще одна галузь, яка потребує точних зоряних віків, — галактична археологія, дослідження того, як збираються галактики. Чумацький Шлях, наприклад, поглинув менші галактики під час своєї еволюції; астрофізики знають це, тому що вміст хімічних речовин у зірках свідчить про їх походження. Але вони не мають точної хронології, коли це сталося — прогнозований вік зірок недостатньо точний.

«Реальність така, що іноді ми помиляємося в 10 разів у зоряній епосі», — сказав Аертс.

Вивчення магнітних полів у зоряних серцях все ще знаходиться в зародковому стані; Є багато невідомих, коли справа доходить до розуміння того, як еволюціонують зірки. І для Аертса в цьому є краса.

«Природа має більше уяви, ніж ми», — сказала вона.

Подорож Джексона Раяна для цієї історії була частково профінансована Програмою наукового журналіста ISTA.