• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Nya rön beskriver en metod för att undersöka stjärnors inre funktion i en sällsynt fas

    Kredit: Jørgen Christensen-Dalsgaard

    Om 5 miljarder år eller så, när solen har förbrukat vätet i sin kärna, den kommer att blåsa upp och förvandlas till en röd jättestjärna. Denna fas av dess liv – och andra stjärnor upp till två gånger dess massa – är relativt kort jämfört med solens mer än 10 miljarder år långa liv. Den röda jätten kommer att lysa 1000 gånger starkare än solen, och plötsligt kommer heliumet djupt i dess kärna att börja smälta samman till kol i en process som kallas "heliumkärnans blixt." Efter det här, stjärnan sätter sig i 100 miljoner år av tyst heliumfusion.

    Astrofysiker har förutspått dessa blixtar i teorin och i modeller i 50 år, men ingen har någonsin observerats. Dock, en ny studie i Natur astronomi föreslår att detta snart kan ändras.

    "Effekterna av heliumkärnblixt förutsägs tydligt av modellerna, men vi har inte hittat några observationer som direkt speglar dem, " sa medförfattaren Jørgen Christensen-Dalsgaard, en Simons Distinguished Visiting Scholar vid UC Santa Barbaras Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) och professor vid Aarhus Universitet i Danmark.

    En stjärna som solen drivs av att smälta väte till helium vid temperaturer runt 15 miljoner K. Helium, dock, kräver en mycket högre temperatur än väte, runt 100 miljoner K, att börja smälta ihop till kol, så det ackumuleras helt enkelt i kärnan medan ett skal av väte fortsätter att brinna runt den. Hela tiden, stjärnan expanderar till en storlek som är jämförbar med jordens omloppsbana. Så småningom, stjärnans kärna når de perfekta förhållandena, utlöser en våldsam antändning av helium:heliumkärnans blixt. Kärnan genomgår flera blinkningar under de kommande 2 miljoner åren, och sedan sätter sig i ett mer statiskt tillstånd där det fortsätter att bränna allt helium i kärnan till kol och syre under cirka 100 miljoner år.

    Heliumkärnablixt spelar en viktig roll i vår förståelse av livscyklerna för stjärnor med låg massa. Tyvärr, att samla in data från kärnorna i avlägsna stjärnor är otroligt svårt, så forskare har inte kunnat observera detta fenomen.

    Kraften hos moderna rymdbaserade observatorier som Kepler, CoRoT och nu NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) lovar att ändra på detta. "Tillgängligheten av mycket känsliga mätningar från rymden har gjort det möjligt att observera subtila svängningar i ljusstyrkan hos ett mycket stort antal stjärnor, " förklarade Christensen-Dalsgaard.

    Heliumkärnblixten producerar en serie olika vågor som fortplantar sig genom stjärnan. Detta får stjärnan att vibrera som en klocka, vilket visar sig som en svag variation i dess totala ljusstyrka. Observationer av stjärnpulseringar har redan lärt astronomer om processerna inuti stjärnor på ungefär samma sätt som geologer lär sig om jordens inre genom att studera jordbävningar. Denna teknik, känd som asteroseismologi, har vuxit till att bli ett blomstrande område inom astrofysik.

    Kärnblixten inträffar ganska plötsligt, och som en jordbävning, börjar med en mycket energisk händelse följt av en serie successivt svagare händelser under de kommande 2 miljoner åren - en relativt kort period i de flesta stjärnors liv. Som framgår av en tidig artikel 2012 ledd av KITP-direktör Lars Bildsten och KITP Senior Fellow Bill Paxton, pulsationsfrekvenserna för dessa stjärnor är mycket känsliga för förhållandena i kärnan. Som ett resultat, asteroseismologi skulle kunna ge forskare information som testar vår förståelse av dessa processer.

    "Vi var vid den tidpunkten glada över att dessa nya rymdförmågor kunde tillåta oss att bekräfta denna länge studerade del av stjärnutvecklingen. Men, vi övervägde inte den ännu mer spännande möjligheten som dessa författare utforskade att använda den kraftigt konvekerande stjärnan för att faktiskt få stjärnan att ringa, sa Bildsten.

    Huvudsyftet med den nya studien var att avgöra om dessa blinkande regioner kunde excitera pulsationer som är tillräckligt stora för att vi ska kunna se. Och efter månader av analyser och simuleringar, forskarna fann att många borde vara relativt lätta att observera.

    "Jag blev verkligen förvånad över att mekanismen faktiskt fungerade så bra, sa Christensen-Dalsgaard.

    Den nya och lovande vinkeln som beskrivs i uppsatsen är att astronomerna har studerat processerna i en mycket speciell – och hittills inte särskilt väl förstådd – typ av stjärna som benämns en subdvärg B-stjärna. Dessa är före detta röda jättar som, av okänd anledning, har förlorat det mesta av sitt yttre lager av väte. Subdwarf B-stjärnor ger forskare en unik möjlighet att mer direkt undersöka den heta kärnan av en stjärna. Vad mer, det återstående tunna lagret av väte är inte tillräckligt tjockt för att dämpa svängningarna från de upprepade heliumkärnblixtarna, ge forskarna en chans att potentiellt observera dem direkt.

    Denna studie ger den första observationsinformationen om de komplexa processer som förutspås av stjärnmodeller vid antändningen av heliumfusion. "Detta arbete drog stor nytta av en serie flytande dynamiska beräkningar ledda av tidigare KITP Graduate Fellow Daniel Lecoanet, ", noterade Bildsten. "Om det här löser sig, dessa stjärnor kan ge en ny testplats för detta grundläggande pussel inom astrofysik."

    Christensen-Dalsgaard sa att han är ivrig att tillämpa dessa fynd på faktiska data. Och faktiskt, heliumkärnblixtar kan redan ha observerats. Flera av stjärnorna som observerats av CoRoT och Kepler visar oförklarliga svängningar som liknar förutsägelser av heliumkärnblixtar. TESS kommer att visa sig avgörande i denna framtida forskning, han förklarade, eftersom den kommer att observera en hel del av stjärnor, inklusive flera där dessa pulseringar kan detekteras. Detta kommer att ge ytterligare starka tester av modellerna och en inblick i hur framtiden ser ut för vår egen sol.


    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com