Astronomer hänvisar vanligtvis till massiva stjärnor som universums kemiska fabriker. De slutar vanligtvis sina liv i spektakulära supernovor, händelser som skapar många av grundämnena i det periodiska systemet. Hur elementära kärnor blandas i dessa enorma stjärnor har stor inverkan på vår förståelse av deras evolution före deras explosion. Det representerar också den största osäkerheten för forskare som studerar deras struktur och evolution.

Ett team av astronomer ledda av May Gade Pedersen, en postdoktor vid UC Santa Barbaras Kavli Institute for Theoretical Physics, har nu mätt den interna blandningen inom en ensemble av dessa stjärnor med hjälp av observationer av vågor från deras djupa inre. Medan forskare har använt denna teknik tidigare, detta papper markerar första gången detta har åstadkommits för en så stor grupp stjärnor på en gång. Resultaten, publiceras i Natur astronomi , visa att den interna blandningen är mycket varierande, utan tydligt beroende av en stjärnas massa eller ålder.

Stjärnor tillbringar större delen av sitt liv med att smälta samman väte till helium djupt i sina kärnor. Dock, fusionen i särskilt massiva stjärnor är så koncentrerad i mitten att den leder till en turbulent konvektiv kärna som liknar en kastrull med kokande vatten. Konvektion, tillsammans med andra processer som rotation, tar effektivt bort heliumaska ​​från kärnan och ersätter den med väte från höljet. Detta gör att stjärnorna kan leva mycket längre än vad som annars förutspåtts.

Astronomer tror att denna blandning härrör från olika fysiska fenomen, som intern rotation och inre seismiska vågor i plasmat exciterade av den konvektionskärna. Dock, teorin har förblivit i stort sett obegränsad av observationer eftersom den förekommer så djupt inuti stjärnan. Som sagt, det finns en indirekt metod för att titta in i stjärnor:asteroseismologi, studier och tolkning av stjärnsvängningar. Tekniken har paralleller till hur seismologer använder jordbävningar för att undersöka jordens inre.

"Studien av stjärnsvängningar utmanar vår förståelse av stjärnstruktur och evolution, "Sade Pedersen. "De tillåter oss att direkt undersöka stjärnornas inre och göra jämförelser med förutsägelserna från våra stjärnmodeller."

Pedersen och hennes medarbetare från KU Leuven, universitetet i Hasselt, och University of Newcastle har kunnat härleda den interna blandningen för en ensemble av sådana stjärnor med hjälp av asteroseismologi. Det är första gången en sådan bedrift har uppnåtts, och var möjligt endast tack vare ett nytt prov av 26 långsamt pulserande stjärnor av B-typ med identifierade stjärnsvängningar från NASA:s Kepler-uppdrag.

Långsamt pulserande stjärnor av B-typ är mellan tre och åtta gånger mer massiva än solen. De expanderar och drar ihop sig på tidsskalor i storleksordningen 12 timmar till 5 dagar, och kan ändra ljusstyrkan med upp till 5 %. Deras oscillationslägen är särskilt känsliga för förhållandena nära kärnan, förklarade Pedersen.

"Den interna blandningen inuti stjärnor har nu mätts observationsmässigt och visar sig vara olika i vårt urval, med vissa stjärnor som nästan inte blandas medan andra visar nivåer en miljon gånger högre, " sa Pedersen. Mångfalden visar sig inte vara relaterad till stjärnans massa eller ålder. Snarare, det påverkas främst av den interna rotationen, även om det inte är den enda faktorn som spelar in.

"Dessa asteroseismiska resultat tillåter äntligen astronomer att förbättra teorin om intern blandning av massiva stjärnor, som hittills har förblivit okalibrerad av observationer som kommer direkt från deras djupa inre, " tillade hon.

Den precision med vilken astronomer kan mäta stjärnsvängningar beror direkt på hur länge en stjärna observeras. Att öka tiden från en natt till ett år resulterar i en tusenfaldig ökning av den uppmätta precisionen av svängningsfrekvenser.

"May och hennes medarbetare har verkligen visat värdet av asteroseismiska observationer som sonder av stjärnors djupa inre på ett nytt och djupgående sätt, " sa KITP-direktör Lars Bildsten, Gluck-professorn i teoretisk fysik. "Jag är spänd på att se vad hon hittar härnäst."

De bästa data som för närvarande finns tillgängliga för detta kommer från rymduppdraget Kepler, som observerade samma fläck på himlen i fyra sammanhängande år. De långsamt pulserande stjärnorna av B-typ var de högsta pulserande stjärnorna som teleskopet observerade. Medan de flesta av dessa är något för små för att bli supernova, de delar samma inre struktur som de mer massiva stjärnkemiska fabrikerna. Pedersen hoppas att insikter från att studera stjärnorna av B-typ kommer att kasta ljus över deras högre massas inre funktion, O-typ motsvarigheter.

Hon planerar att använda data från NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) för att studera grupper av oscillerande stjärnor med hög massa i OB-föreningar. Dessa grupper omfattar 10 till mer än 100 massiva stjärnor mellan 3 och 120 solmassor. Stjärnor i OB-föreningar är födda från samma molekylära moln och har liknande åldrar, hon förklarade. Det stora urvalet av stjärnor, och tvång från deras gemensamma åldrar, ger nya spännande möjligheter att studera de inre blandningsegenskaperna hos stjärnor med hög massa.

Förutom att avslöja processerna som är gömda i stjärnornas interiörer, forskning om stjärnoscillationer kan också ge information om andra egenskaper hos stjärnorna.

"Stjärnoscillationerna tillåter oss inte bara att studera stjärnornas inre blandning och rotation, men också bestämma andra stjärnegenskaper som massa och ålder, "Förklarade Pedersen. "Även om dessa båda är två av de mest grundläggande stjärnparametrarna, de är också några av de svåraste att mäta."