Quaking Giants có thể giải quyết những bí ẩn về từ tính sao | Tạp chí lượng tử

Hành tinh của chúng ta bị tiêu diệt. Trong vài tỷ năm nữa, mặt trời sẽ cạn kiệt nhiên liệu hydro và phồng lên thành một ngôi sao khổng lồ đỏ — một ngôi sao lớn đến mức nó sẽ cháy sém, đen kịt và nuốt chửng các hành tinh bên trong.

Trong khi những người khổng lồ đỏ là tin xấu cho các hành tinh, thì chúng lại là tin tốt cho các nhà vật lý thiên văn. Trái tim của họ nắm giữ chìa khóa để hiểu được nhiều loại vật thể sao, từ các tiền sao non trẻ đến các sao lùn trắng xác sống, bởi vì sâu bên trong chúng ẩn chứa một thế lực vô hình có thể định hình vận mệnh của một ngôi sao: từ trường.

Từ trường gần bề mặt của các ngôi sao thường được mô tả rõ ràng, nhưng những gì xảy ra trong lõi của chúng hầu như chưa được biết. Điều đó đang thay đổi, bởi vì những người khổng lồ đỏ đặc biệt thích hợp để nghiên cứu từ tính sâu bên trong một ngôi sao. Các nhà khoa học làm điều này bằng cách sử dụng starquakes - những dao động nhỏ trên bề mặt của một ngôi sao - như một cánh cổng dẫn đến phần bên trong của sao.

“Những người khổng lồ đỏ có những dao động này cho phép bạn thăm dò lõi rất nhạy,” cho biết Chăn Ga Gối Tim, một nhà thiên văn học tại Đại học Sydney, người nghiên cứu các ngôi sao khổng lồ đỏ.

Năm ngoái, một nhóm tại Đại học Toulouse đã giải mã những dao động đó và đo từ trường bên trong bộ ba người khổng lồ đỏ. Đầu năm nay, cùng một đội phát hiện từ trường bên trong thêm 11 sao khổng lồ đỏ. Kết hợp lại, các quan sát cho thấy trái tim của những người khổng lồ bí ẩn hơn chúng ta tưởng.

Gần trái tim của một ngôi sao, từ trường đóng vai trò quan trọng trong việc trộn hóa chất bên trong ngôi sao, từ đó ảnh hưởng đến cách một ngôi sao tiến hóa. Bằng cách tinh chỉnh các mô hình sao và bao gồm cả từ tính bên trong, các nhà khoa học sẽ có thể tính toán tuổi sao chính xác hơn. Các phép đo như vậy có thể giúp xác định tuổi của các hành tinh ở xa có khả năng sinh sống được và xác định các mốc thời gian hình thành thiên hà.

“Chúng tôi không bao gồm từ tính trong mô hình sao,” cho biết Lisa Bugnet, một nhà vật lý thiên văn tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo, người đã phát triển các phương pháp nghiên cứu từ trường bên trong những người khổng lồ đỏ. “Thật điên rồ, nhưng nó không có ở đó bởi vì chúng tôi không biết nó trông như thế nào [hoặc] nó mạnh đến mức nào.”

Nhìn chằm chằm vào mặt trời

Cách duy nhất để thăm dò tâm của một ngôi sao là nghiên cứu về thiên văn học, nghiên cứu về các dao động của sao.

Cũng giống như cách sóng địa chấn gợn sóng qua bên trong Trái đất có thể được sử dụng để lập bản đồ cảnh quan bên dưới mặt đất của hành tinh, các dao động của sao mở ra một cửa sổ vào bên trong của một ngôi sao. Các ngôi sao dao động khi plasma của chúng khuấy động, tạo ra các sóng mang thông tin về thành phần bên trong và chuyển động quay của một ngôi sao. Bugnet so sánh quá trình này với một tiếng chuông - hình dạng và kích thước của một chiếc chuông tạo ra một âm thanh cụ thể tiết lộ các đặc tính của chính chiếc chuông đó.

Để nghiên cứu những người khổng lồ rung chuyển, các nhà khoa học sử dụng dữ liệu từ cuộc săn tìm hành tinh của NASA kính viễn vọng Kepler, theo dõi độ sáng của hơn 180,000 ngôi sao trong nhiều năm. Độ nhạy của nó cho phép các nhà vật lý thiên văn phát hiện những thay đổi nhỏ trong ánh sáng của sao liên quan đến dao động của sao, ảnh hưởng đến cả bán kính và độ sáng của ngôi sao.

Nhưng việc giải mã các dao động của các vì sao rất phức tạp. Chúng có hai loại cơ bản: chế độ áp suất âm thanh (chế độ p), là sóng âm thanh di chuyển qua các vùng bên ngoài của một ngôi sao và chế độ trọng lực (chế độ g), có tần số thấp hơn và chủ yếu giới hạn trong lõi. . Đối với những ngôi sao như mặt trời của chúng ta, chế độ p chiếm ưu thế trong các dao động quan sát được của chúng; các chế độ g của chúng, bị ảnh hưởng bởi từ trường bên trong, quá yếu để phát hiện và không thể chạm tới bề mặt của ngôi sao.

Năm 2011, nhà vật lý thiên văn Paul Beck của KU Leuven và các đồng nghiệp dữ liệu Kepler đã sử dụng để chỉ ra rằng trong các sao khổng lồ đỏ, chế độ p và chế độ g tương tác và tạo ra thứ được gọi là chế độ hỗn hợp. Các chế độ hỗn hợp là công cụ thăm dò tâm của một ngôi sao — chúng cho phép các nhà thiên văn học nhìn thấy các dao động ở chế độ g — và chúng chỉ có thể phát hiện được ở các ngôi sao khổng lồ đỏ. Nghiên cứu các chế độ hỗn hợp cho thấy lõi khổng lồ đỏ quay chậm hơn nhiều so với lớp vỏ khí của ngôi sao, trái ngược với dự đoán của các nhà vật lý thiên văn.

Đó là một bất ngờ - và có thể là một dấu hiệu cho thấy một thứ quan trọng đã bị thiếu trong các mô hình đó: từ tính.

đối xứng sao

Năm ngoái, Cương Lý, một nhà nghiên cứu thiên văn học hiện đang làm việc tại KU Leuven, đã đào bới những người khổng lồ của Kepler. Anh ta đang tìm kiếm một tín hiệu ở chế độ hỗn hợp ghi lại từ trường trong lõi của một người khổng lồ đỏ. Ông nói: “Thật đáng kinh ngạc, tôi thực sự đã tìm thấy một vài trường hợp của hiện tượng này.

Thông thường, các dao động hỗn hợp trong các sao khổng lồ đỏ xảy ra gần như nhịp nhàng, tạo ra tín hiệu đối xứng. Bugnet và những người khác đã dự đoán rằng từ trường sẽ phá vỡ sự đối xứng đó, nhưng không ai có thể thực hiện quan sát phức tạp đó — cho đến khi nhóm của Li.

Li và các đồng nghiệp của ông đã tìm thấy một bộ ba khổng lồ thể hiện sự bất đối xứng được dự đoán và họ đã tính toán rằng từ trường của mỗi ngôi sao là lên đến “Sức mạnh gấp 2,000 lần nam châm tủ lạnh thông thường” — mạnh, nhưng phù hợp với dự đoán.

Tuy nhiên, một trong ba người khổng lồ đỏ đã làm họ ngạc nhiên: Tín hiệu ở chế độ hỗn hợp của nó bị lạc hậu. “Chúng tôi đã có một chút bối rối,” nói Sébastien Deheuvels, một tác giả nghiên cứu và là nhà vật lý thiên văn tại Toulouse. Deheuvels cho rằng kết quả này gợi ý rằng từ trường của ngôi sao nghiêng về phía nó, nghĩa là kỹ thuật này có thể xác định hướng của từ trường, điều này rất quan trọng để cập nhật các mô hình tiến hóa của sao.

Nghiên cứu thứ hai, do Deheuvels dẫn đầu, đã sử dụng phương pháp địa chấn thiên văn hỗn hợp để phát hiện từ trường trong lõi của 11 sao khổng lồ đỏ. Tại đây, nhóm nghiên cứu đã khám phá cách các trường đó ảnh hưởng đến các thuộc tính của chế độ g - Deheuvels lưu ý rằng có thể cung cấp một cách để di chuyển ra ngoài các sao khổng lồ đỏ và phát hiện từ trường trong các ngôi sao không biểu hiện các bất đối xứng hiếm gặp đó. Nhưng trước tiên “chúng tôi muốn tìm số lượng sao khổng lồ đỏ thể hiện hành vi này và so sánh chúng với các kịch bản khác nhau về sự hình thành các từ trường này,” Deheuvels nói.

Không chỉ là một con số

Sử dụng các trận động đất để điều tra phần bên trong của các ngôi sao đã khởi động một “thời kỳ phục hưng” trong quá trình tiến hóa của các vì sao, cho biết Conny Aerts, một nhà vật lý thiên văn tại KU Leuven.

Thời kỳ phục hưng có ý nghĩa sâu rộng đối với sự hiểu biết của chúng ta về các vì sao và vị trí của chúng ta trong vũ trụ. Cho đến nay, chúng ta biết tuổi chính xác của chỉ một ngôi sao - mặt trời của chúng ta - mà các nhà khoa học đã xác định dựa trên thành phần hóa học của các thiên thạch hình thành trong quá trình sự ra đời của hệ mặt trời. Đối với mọi ngôi sao khác trong vũ trụ, chúng ta chỉ có tuổi ước tính dựa trên chuyển động quay và khối lượng. Thêm từ tính bên trong và bạn có một cách để ước tính tuổi của các vì sao với độ chính xác cao hơn.

Và tuổi tác không chỉ là một con số, mà còn là một công cụ có thể giúp trả lời một số câu hỏi sâu sắc nhất về vũ trụ. Hãy tìm kiếm sự sống ngoài trái đất. Kể từ năm 1992, các nhà khoa học đã phát hiện hơn 5,400 ngoại hành tinh. Bước tiếp theo là mô tả đặc điểm của những thế giới đó và xác định xem chúng có phù hợp với sự sống hay không. Điều đó bao gồm biết tuổi của hành tinh. “Và cách duy nhất bạn có thể biết tuổi của nó là biết tuổi của ngôi sao chủ,” Deheuvels nói.

Một lĩnh vực khác đòi hỏi tuổi sao chính xác là khảo cổ học thiên hà, nghiên cứu về cách các thiên hà được lắp ráp. Ví dụ, Dải Ngân hà đã ngấu nghiến các thiên hà nhỏ hơn trong quá trình tiến hóa của nó; các nhà vật lý thiên văn biết điều này vì lượng hóa chất dồi dào trong các ngôi sao có nguồn gốc từ tổ tiên của chúng. Nhưng họ không có mốc thời gian chính xác khi điều đó xảy ra - tuổi sao được suy luận không đủ chính xác.

Aerts nói: “Thực tế là, đôi khi chúng ta là một yếu tố [trong số] 10 sai lầm trong thời đại của các vì sao.

Nghiên cứu về từ trường bên trong trái tim của các vì sao vẫn còn ở giai đoạn sơ khai; có rất nhiều điều chưa biết khi tìm hiểu cách các ngôi sao phát triển. Và đối với Aerts, có vẻ đẹp trong đó.

“Thiên nhiên giàu trí tưởng tượng hơn chúng ta,” cô nói.

Chuyến đi của Jackson Ryan cho câu chuyện này được tài trợ một phần bởi Chương trình Nhà báo Khoa học tại nơi cư trú của ISTA.