Ny forskning ledd av NASA ger en närmare titt på en närliggande stjärna som tros likna vår unga sol. Arbetet gör det möjligt för forskare att bättre förstå hur vår sol kan ha sett ut när den var ung, och hur det kan ha format atmosfären på vår planet och utvecklingen av livet på jorden.

Många människor drömmer om att träffa en yngre version av sig själva för att utbyta råd, identifiera ursprunget till deras definierande egenskaper, och dela förhoppningar för framtiden. Vid 4,65 miljarder år gammal, vår sol är en medelålders stjärna. Forskare är ofta nyfikna på att lära sig exakt vilka egenskaper som möjliggjorde vår sol, i sina yngre år, för att stödja livet på den närliggande jorden.

Utan en tidsmaskin för att transportera vetenskapsmän tillbaka miljarder år, Att spåra vår stjärnas tidiga aktivitet kan tyckas vara en omöjlig bedrift. Lyckligtvis, i Vintergatans galax – det glittrande, spiralsegment av universum där vårt solsystem ligger – det finns mer än 100 miljarder stjärnor. En av tio delar egenskaper med vår sol, och många är i de tidiga utvecklingsstadierna.

"Föreställ dig att jag vill återge en babybild av en vuxen när de var ett eller två år gamla, och alla deras bilder raderades eller förlorades. Jag skulle titta på en bild på dem nu, och deras nära släktingars bilder från runt den åldern, och därifrån, rekonstruera sina babyfoton, sa Vladimir Airapetian, senior astrofysiker i Heliophysics Division vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och första författare på den nya studien. "Det är den typen av process vi följer här - att titta på egenskaper hos en ung stjärna som liknar vår, för att bättre förstå hur vår egen stjärna var i sin ungdom, och vad som gjorde det möjligt för den att fostra liv på en av sina närliggande planeter."

Kappa 1 Ceti är en sådan solanalog. Stjärnan ligger cirka 30 ljusår bort (i rymdtermer, det är som en granne som bor på nästa gata över) och beräknas vara mellan 600 och 750 miljoner år gammal, ungefär samma ålder som vår sol var när livet utvecklades på jorden. Den har också en liknande massa och yttemperatur som vår sol, sade studiens andra författare, Meng Jin, en heliofysiker vid SETI Institute och Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory i Kalifornien. Alla dessa faktorer gör Kappa 1 Ceti till en "tvilling" av vår unga sol vid den tidpunkt då livet uppstod på jorden, och ett viktigt mål för studier.

Airapetian, Jin, och flera kollegor har anpassat en befintlig solmodell för att förutsäga några av Kappa 1 Cetis viktigaste, men svår att mäta, egenskaper. Modellen är beroende av datainmatning från en mängd olika rymduppdrag, inklusive NASA/ESA rymdteleskopet Hubble, NASA:s Transiting Exoplanet Survey Satellite och NICER-uppdrag, och ESA:s XMM-Newton. Teamet publicerade sin studie idag i Astrofysisk tidskrift .

Stjärnkraft

Som mänskliga småbarn, småbarnsstjärnor är kända för sina höga utbrott av energi och aktivitet. För stjärnor, ett sätt som denna uppdämda energi frigörs är i form av en stjärnvind.

Stjärnvindar, som stjärnor själva, består till största delen av en superhet gas känd som plasma, skapas när partiklar i en gas har splittrats till positivt laddade joner och negativt laddade elektroner. Den mest energiska plasman, med hjälp av en stjärnas magnetfält, kan skjuta bort från den yttersta och hetaste delen av en stjärnas atmosfär, corona, i ett utbrott, eller strömma mer stadigt mot närliggande planeter som stjärnvind. "Stjärnvind strömmar kontinuerligt ut från en stjärna mot dess närliggande planeter, påverka dessa planeters miljöer, " sa Jin.

Yngre stjärnor tenderar att generera varmare, kraftigare stjärnvindar och kraftigare plasmautbrott än vad äldre stjärnor gör. Sådana utbrott kan påverka atmosfären och kemin hos planeter i närheten, och möjligen till och med katalysera utvecklingen av organiskt material - byggstenarna för livet - på dessa planeter.

Stjärnvind kan ha en betydande inverkan på planeter i alla skeden av livet. Men den starka, mycket täta stjärnvindar från unga stjärnor kan komprimera de skyddande magnetiska sköldarna på omgivande planeter, vilket gör dem ännu mer mottagliga för effekterna av de laddade partiklarna.

Vår sol är ett perfekt exempel. Jämfört med nu, i sin barndom, vår sol roterade troligen tre gånger snabbare, hade ett starkare magnetfält, och sköt ut mer intensiv högenergistrålning och partiklar. Dessa dagar, för lyckliga åskådare, effekterna av dessa partiklar är ibland synliga nära planetens poler som norrsken, eller norr- och södersken. Airapetian säger för 4 miljarder år sedan, med tanke på effekten av vår solvind vid den tiden, dessa enorma ljus var sannolikt ofta synliga från många fler platser runt om i världen.

Den höga aktivitetsnivån i vår sols uppkomst kan ha tryckt tillbaka jordens skyddande magnetosfär, och gav planeten – inte tillräckligt nära för att tändas som Venus, inte heller tillräckligt långt för att försummas som Mars – med rätt atmosfärisk kemi för bildandet av biologiska molekyler.

Liknande processer kan utvecklas i stjärnsystem över hela vår galax och universum.

"Det är min dröm att hitta en stenig exoplanet i det skede som vår planet befann sig i för mer än 4 miljarder år sedan, formas av sina unga, aktiv stjärna och nästan redo att vara värd för livet, "Att förstå hur vår sol var precis när livet började utvecklas på jorden kommer att hjälpa oss att förfina vårt sökande efter stjärnor med exoplaneter som så småningom kan vara värd för liv."

En solar tvilling

Även om solanaloger kan hjälpa till att lösa en av utmaningarna med att kika in i solens förflutna, tid är inte den enda komplicerande faktorn för att studera vår unga sol. Det finns också avstånd.

Vi har instrument som kan noggrant mäta stjärnvinden från vår egen sol, kallas solvinden. Dock, det är ännu inte möjligt att direkt observera stjärnvinden från andra stjärnor i vår galax, som Kappa 1 Ceti, eftersom de är för långt borta.

När forskare vill studera en händelse eller ett fenomen som de inte direkt kan observera, vetenskaplig modellering kan hjälpa till att fylla luckorna. Modeller är representationer eller förutsägelser av ett studieobjekt, bygger på befintliga vetenskapliga data. Medan forskare tidigare har modellerat stjärnvinden från denna stjärna, Airapetian sa, de använde mer förenklade antaganden.

Grunden för den nya modellen av Kappa 1 Ceti av Airapetian, Jin, och kollegor är Alfvén Wave Solar Model, som är inom Space Weather Modeling Framework utvecklat av University of Michigan. Modellen fungerar genom att mata in känd information om en stjärna, inklusive dess magnetfält och ultravioletta emissionslinjedata, för att förutsäga stjärnvindsaktivitet. När modellen har testats på vår sol, den har validerats och kontrollerats mot observerade data för att verifiera att dess förutsägelser är korrekta.

"Den är kapabel att modellera vår stjärnas vindar och korona med hög trohet, " sa Jin. "Och det är en modell som vi kan använda på andra stjärnor, för, att förutsäga sin stjärnvind och därigenom undersöka beboelighet. Det är vad vi gjorde här."

Tidigare studier har utgått från data som samlats in av Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) och Hubble Space Telescope (HST) för att identifiera Kappa 1 Ceti som en ung solproxy, and to gather the necessary inputs for the model, such as magnetic field and ultraviolet emission line data.

"Every model needs input to get output, " Airapetian said. "To get useful, accurate output, the input needs to be solid data, ideally from multiple sources across time. We have all that data from Kappa 1 Ceti, but we really synthesized it in this predictive model to move past previous purely observational studies of the star."

Airapetian likens his team's model to a doctor's report. To get a full picture of how a patient is doing, a doctor is likely to talk to the patient, gather markers like heart rate and temperature, and if needed, conduct several more specialized tests, like a blood test or ultrasound. They are likely to formulate an accurate assessment of patient well-being with a combination of these metrics, inte bara en.

Liknande, by using many pieces of information about Kappa 1 Ceti gathered from different space missions, scientists are better able to predict its corona and the stellar wind. Because stellar wind can affect a nearby planet's magnetic shield, it plays an important role in habitability. The team is also working on another project, looking more closely at the particles that may have emerged from early solar flares, as well as prebiotic chemistry on Earth.

Our sun's past, written in the stars

The researchers hope to use their model to map the environments of other sun-like stars at various life stages.

Specifikt, they have eyes on the infant star EK Dra—111 light-years away and only 100 million years old—which is likely rotating three times faster and shooting off more flares and plasma than Kappa 1 Ceti. Documenting how these similar stars of various ages differ from one another will help characterize the typical trajectory of a star's life.

Deras arbete, Airapetian said, is all about "looking at our own sun, its past and its possible future, through the lens of other stars."

To learn more about our sun's stormy youth, watch this video and see how energy from our young sun—4 billion years ago—aided in creating molecules in Earth's atmosphere, allowing it to warm up enough to incubate life.