I sin jakt på extrasolära planeter, rymdteleskopet Kepler letar efter stjärnor vars ljusflöde med jämna mellanrum dämpas, signalerar att en kretsande planet passerar framför stjärnan. Men tidpunkten och varaktigheten av episoder med minskat ljusflöde som Kepler upptäckte från KIC 846852, känd som Tabbys stjärna, är ett mysterium. Dessa dämpningshändelser varierar i storlek och inträffar inte med jämna mellanrum, gör en kretsande planet till en osannolik förklaring. Källan till dessa ovanliga nedtonade händelser är föremål för intensiva spekulationer.

Förslag från astronomer, astrofysiker, och amatörstjärnskådare har varierat från asteroidbälten till utomjordingar.

Nu är ett team av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign-fysik doktorand Mohammed Sheikh, arbetar med professorerna Karin Dahmen och Richard Weaver – erbjuder en helt ny lösning på Tabbys stjärnpussel. De antyder att ljusstyrkans variationer kan vara inneboende för stjärnan själv. Tabby's star är i de flesta avseenden en standard F-klass stjärna, belägen i stjärnbilden Cygnus, ungefär 1, 276 ljusår från jorden. Dess ovanliga ljuskurva – grafen över dess ljusintensitet som funktion av tiden – visar intensiva dimningshändelser på upp till 20 procent, präglas av mindre oregelbundna dimningshändelser.

Weaver kommentarer, "Det finns några tydliga tecken på ockultation, eller dämpning av en oberoende instans som blockerar sikten. Det viktigaste är periodicitet. I Tabbys stjärna, de små och stora händelserna är inte periodiska – de inträffar inte med jämna mellanrum – och detta är ett av ljuskurvans centrala mysterier. "

Illinois-teamet tillämpade en statistisk analys på ljuskurvans mindre oregelbundna variationer. Vad de hittade är ett matematiskt mönster som överensstämmer med en väletablerad lavinmodell:de mindre dämpande händelserna är "sprakande brus" eller små laviner som observeras under tidsintervallen mellan de större lavinerna, motsvaras av de större dimningshändelserna. De små dimningsevenemangen finns i ett anmärkningsvärt brett utbud av storlekar, som fördelas enligt en enkel skalningslag. Dessa resultat tyder på att dämpningshändelserna kan vara inneboende i Tabbys stjärna och att stjärnan kan vara nära den kritiska punkten för en underliggande kontinuerlig fasövergång.

Sheikh utförde beräkningarna för analys av observationsdata. Han förklarar den matematiska metoden, som börjar med att fastställa en mediandämpningströskel över ljuskurvan.

"Tröskeln är en konstgjord vi tar till för att definiera vad en lavin är i ljuskurvans sammanhang. Faktum är att, statistiken är ganska robust för var vi väljer tröskeln, så det exakta värdet är inte viktigt. Det som är viktigt är att vi får tillräckligt med laviner för att göra statistik.

När ljuskurvan faller under tröskeln, vi betraktar en sådan händelse som början på en lavin. Medan ljuskurvan ligger under tröskeln fortsätter lavinen, och det stannar när det ökar igen till ett värde över tröskeln. "

Laviner har två huvudsakliga egenskaper, storlek och varaktighet. Storleken är den totala ytan som omges av ljuskurvan (under tröskeln) och tröskeln.

Lavinen storlek, " fortsätter Sheikh, "är relaterat till nettominskningen av energi som stjärnan emitterar under dimningshändelsen, jämfört med en konstant emissionshastighet från stjärnan, eller det konstanta tröskelvärdet. Lavinens varaktighet är längden på händelsen. Vi tittar också på effektspektraltätheten, vilket är relaterat till hur mycket effekt per frekvensenhet som finns i ljuskurvan.

"I grund och botten, vi tittar på de statistiska fördelningarna av fluktuationerna. Alla dessa saker har maktlagar förknippade med dem. Detta ger oss ett oberoende sätt att tolka händelserna och kontrollera överensstämmelse med modellen."

Maktlagar har den intressanta egenskapen att de ser likadana ut på olika skalor. Så när du zoomar in till små skalor och korta tider får du samma typer av statistiska fördelningar som när du zoomar ut till större skalor och längre tider. Kraftlagar återspeglar systemets självlikhet över ett brett spektrum av längd- och tidsskalor – liknande fraktaler – som ser likadana ut när du zoomar in eller när du zoomar ut.

Betydligt nog, statistiken över Tabby stars mindre dimningshändelser överensstämmer med förutsägelserna från en skalningsteori. I hennes forskning, Dahmen har fastställt att ett skalningsmönster för små händelser som avbryts av större händelser är typiskt för system nära en fasövergång. Hon har sett detta i den intermittenta deformationsdynamiken hos nanokristaller, händelsestatistiken för metalliska glasögon, stenar, och granulära material, och i jordbävningar i mycket större skala som spänner över 12 decennier i längd. Liknande typer av laviner ses också i neuron som skjuter laviner i hjärnan, i magnetiska system, och i många andra system för kondenserad materia.

"Vi vet från andra system nära icke-jämviktsfasövergångar att ett system kan ha små händelser som visar effektlagsskalning och stora händelser som har olika dynamik, "Dahmen förklarar. "Exempel på sådana övergångar är magnetiska system som långsamt drivs med ett magnetfält, eller den långsamma deformationen av något spröda material där det ofta förekommer små krackeleringar som blir starkare och starkare tills det blir en stor knäppning när materialet går sönder." "De små händelserna i vår stjärnanalys skulle vara som de små sprakande medan de stora händelserna skulle vara analog av den stora snap, "fortsätter hon." Vår genomsnittliga fältmodell kan faktiskt redogöra för båda, små evenemang och stora. Den har en inbyggd "försvagningsmekanism" som förklarar varför det borde finnas två typer av laviner."

Om dimningshändelserna är associerade med en kommande fasövergång, vad skulle stjärnan övergå till och inom vilken tidsram? Weaver förklarar, "I takt med att mer data analyseras hoppas vi att det kommer att vara möjligt att identifiera exakt vilken typ av övergång detta är. Vi har inte en tillräckligt djup förståelse för att få ett definitivt svar, och fler observationer krävs. Vi kan bara spekulera i vad en sådan övergång skulle vara."

"Det är viktigt att notera—brist på periodicitet enbart är inte tillräckligt för att utesluta ockultation. Det är en del av anledningen till att teorier som kometer eller planetskräp är så populära. Vi kan inte definitivt utesluta dessa saker med våra fynd, men vi kan säga att de maktlagar vi har erhållit är mer förenliga med inneboende variation."

Dahmen tillägger, "Vårt arbete ger ett ramverk för hur man analyserar data och kanske till och med klassificerar stjärnor i hur nära eller långt bort stjärnorna är från en sådan övergång. Dessa statistiska analysverktyg har testats och framgångsrikt tillämpats på lavinbrus i magnetiska system och plastisk deformation. Vi transporterar dessa verktyg till astrofysik för att lära oss mer om stjärnors dynamik och så småningom för att jämföra olika stjärnor.

"Som ett nästa steg anser vi att samma typ av analys bör tillämpas på andra stjärnor för att se hur universell denna fluktuationsstatistik är bland de stjärnor som redan är kända. Med andra ord skulle vi använda statistiken över bruset i ljuskurvorna i dessa stjärnor för att lära sig något om de dynamiska processer som pågår inuti stjärnan. "

Denna forskning publiceras i numret av 19 december Fysiska granskningsbrev .