Astrofysiker har äntligen en förklaring till de våldsamma humörsvängningarna hos några av de största, de ljusaste och mest sällsynta stjärnorna i universum.

Stjärnorna, kallade ljusblå variabler, periodvis utbryter i bländande utbrott med smeknamnet "stjärngejsrar". Dessa kraftfulla utbrott skickar hela planeternas material ut i rymden på några dagar. Orsaken till denna instabilitet, dock, har förblivit ett mysterium i decennier.

Nu, nya 3D-simuleringar av ett team av astrofysiker tyder på att turbulenta rörelser i de yttre lagren av en massiv stjärna skapar täta klumpar av stjärnmaterial. Dessa klumpar fångar stjärnans intensiva ljus som ett solsegel, material som bryter ut i rymden. Efter att ha kastat ut tillräckligt med massa, stjärnan lugnar ner sig tills dess yttre skikt ombildas och cykeln börjar på nytt, astrofysikerna rapporterar online 26 september in Natur .

Att identifiera orsaken till stjärngejsrarna är betydelsefullt eftersom varje extremt massiv stjärna förmodligen tillbringar en del av sitt liv som en lysande blå variabel, säger studiens medförfattare Matteo Cantiello, en associerad forskare vid Center for Computational Astrophysics vid Flatiron Institute i New York City.

"Detta fynd representerar ett viktigt steg framåt för att förstå livet och döden för de största stjärnorna i universum, " säger Cantiello. "Dessa massiva stjärnor, trots deras ringa antal, bestämmer till stor del galaxernas utveckling genom deras stjärnvindar och supernovaexplosioner. Och när de dör, de lämnar efter sig svarta hål."

Lysande blå variabler, eller LBV, är ytterst sällsynta, med bara ett dussin prickade i och runt Vintergatans galax. De gigantiska stjärnorna kan överstiga 100 gånger solens massa och närma sig den teoretiska gränsen för hur massiva stjärnor kan bli. LBV är också exceptionellt strålande:De ljusaste lyser med mer än 1 miljon gånger solens ljusstyrka. Det ljuset skjuter materia i rymden eftersom absorption och återutsändning av en foton av en atom resulterar i en netto utåtskjutning.

Dragkampen mellan extrem gravitation som drar in material och extrem ljusstyrka som trycker ut det är ansvarig för varumärkesutbrotten från LBV, forskare tror. Absorptionen av en foton av en atom, dock, kräver att elektroner är bundna i banor runt atomens kärna. I det djupaste, hetaste lagren av en stjärna, materia beter sig som ett plasma med elektroner obundna från atomer. I de kallare yttre lagren, elektroner börjar återförenas med sina atomer och kan därför absorbera fotoner igen.

Tidigare föreslagna förklaringar till utbrotten förutspådde att element som helium i de yttre lagren kunde absorbera tillräckligt med fotoner för att övervinna gravitationen och flyga ut i rymden som ett utbrott. Men enkelt, endimensionella beräkningar stödde inte denna hypotes:De yttre lagren verkade inte vara tillräckligt täta för att fånga tillräckligt med ljus för att övermanna gravitationen.

Dessa enkla beräkningar, dock, fångade inte hela bilden av den komplexa dynamiken i en kolossal stjärna. Cantiello, tillsammans med Yan-Fei Jiang från Kavli Institute for Theoretical Physics vid University of California, Santa Barbara, och kollegor tog ett mer realistiskt tillvägagångssätt. Forskarna skapade en detaljerad, tredimensionell datorsimulering av hur materia, värme och ljus flödar och interagerar inom superstora stjärnor. De involverade beräkningarna krävde mer än 60 miljoner datorprocessortimmar att lösa.

I simuleringen, den genomsnittliga tätheten för de yttre lagren var för låg för att materialet skulle flyga – precis som de endimensionella beräkningarna förutspådde. Dock, de nya beräkningarna visade att konvektion och blandning i de yttre lagren resulterade i att vissa regioner blev tätare än andra, med några klumpar som är ogenomskinliga nog att skjutas upp i rymden av stjärnans ljus. Sådana utbrott inträffar över tidsskalor som sträcker sig från dagar till veckor när stjärnan kurrar och dess ljusstyrka fluktuerar. Teamet uppskattar att sådana stjärnor kan kasta bort cirka 10 miljarder biljoner ton material varje år, ungefär dubbla jordens massa.

Forskarna planerar att förbättra noggrannheten i sina simuleringar genom att införliva andra effekter som stjärnans rotation, vilket kan göra det lättare att skjuta upp material i rymden nära stjärnans snabbt snurrande ekvator än nära de nästan stationära polerna. (Denna effekt är anledningen till att NASA skjuter upp sina raketer från Florida och Kalifornien snarare än Maine eller Alaska.)

Att förbättra troheten hos stjärnsimuleringar är avgörande för att uppnå astrofysiska insikter, säger Cantiello. Flytten från enkla, endimensionella beräkningar till fullständiga 3D-simuleringar kräver mer beräkningsmuskler och mer komplex fysik, men resultatet är väl värt besväret. "Vi var tvungna att implementera all denna fysik för att se, med våra egna ögon, att denna process – som vi inte förväntade oss skulle vara viktig – skulle visa sig vara nyckeln till att förstå dessa våldsamma utbrott och utvecklingen av dessa massiva stjärnor, " han säger.