Ett internationellt team av astronomer lyckades upptäcka tecken på åldrande i den röda superjätten T UMi. Stjärnan i konstellationen Little Bear genomgår för närvarande sin sista kärnvapenhicka, " och kommer snart att avsluta sitt 1,2 miljarder år långa liv.

Föreställ dig att du är en fluga och du vill lista ut hur människor åldras. Du har inte tid att bara välja ett exemplar och vänta ut det:du måste arbeta med det du ser just nu, och försöka förstå det på något sätt. Detta är kärnproblemet med att räkna ut stjärnutvecklingen under mänskliga liv.

Stjärnornas liv utvecklas mycket gradvis, och för det mesta kan vi inte upptäcka tidens gång i dessa föremål. Ett välkänt undantag från denna regel är en supernovaexplosion, men de allra flesta stjärnor upplever inte denna fas. Stjärnor som liknar solen avslutar sina liv mycket tystare:de förvandlas till röda superjättar och sedan till planetariska nebulosor efter några miljarder år, och lämna efter sig bara en liten vit dvärg som en rest.

Astronomer har satt ihop bevis på denna sekvens genom att observera miljontals stjärnor, var och en med olika ålder och massa, och genom att beräkna "typiska, " eller genomsnitt, beteende med stjärnmodeller. Dock, det är svårt att hitta direkta bevis för att någon särskild stjärna följer denna väg.

Forskare vid Konkoly-observatoriet vid Ungerska vetenskapsakademin, Dr László Molnár och Dr László Kiss, och deras internationella samarbetspartner, Dr Meridith Joyce, vid Australian National University, har nu lyckats avslöja direkta bevis för denna evolution tack vare ett kort tillfälle i slutet av livet för mindre stjärnor.

Under de senaste miljoner åren, under stjärnans övergång från en röd jätte till vit dvärg, energiproduktionen i stjärnan blir instabil. Under denna fas, kärnfusion flammar upp djupt inuti, orsakar "hicka, " eller termiska pulser. Dessa pulser orsakar drastiska, snabba förändringar i stjärnans storlek och ljusstyrka – synliga under århundraden. Det är således möjligt för en termisk puls att märkas under mänskliga liv - om timingen är rätt och vi vet var vi ska leta efter tecknen på den.

Identifieringen underlättas av det faktum att dessa gamla stjärnor också är variabla stjärnor. Ljudvågor får dem att expandera och dra ihop sig med jämna mellanrum, skapar pulseringar under årslånga cykler. Dessa långsamma men mycket iögonfallande ljusvariationer i många stjärnor, inklusive T UMi, har följts av generationer av professionella och amatörastronomer i över ett sekel. Trots liknande villkor, pulsering och termiska pulser är två distinkta fenomen, och vi kan använda den förra för att söka efter de avslöjade tecknen på den senare:när stjärnan krymper under en puls, ljudvågorna når gränserna snabbare, förkorta de årslånga pulsationsperioderna.

T UMi var inte en särskilt anmärkningsvärd variabel stjärna förrän på 1980-talet, när dess pulsationsperiod började förkortas drastiskt. En termisk puls ansågs vara orsaken till denna oöverträffade snabba förändring av ungerska astronomer i början av 2000-talet, men stjärnevolutionära modeller var inte tillräckligt exakta för att matcha observationerna med teorin förrän nyligen.

De ungerska forskarna hade länge tänkt ta en ny titt på T UMi när bättre verktyg och mer data blev tillgängliga. Som Dr. Kiss förklarade, "I dag, under 2000-talets andra decennium, vi kan modellera de inre strukturerna, Evolution, och svängningar av stjärnor i oöverträffad detalj och precision, tack vare enorma utvecklingar inom området numerisk astrofysik. Teoretisk förståelse av T Ursae Minoris blev en reell möjlighet först under de senaste 4–5 åren, men utredningarna har aldrig varit helt borta från bordet."

Och deras tålamod gav resultat, eftersom data som samlats in av det världsomspännande observatörsnätverket från American Association of Variable Star Observers (AAVSO) under det senaste decenniet visade sig vara avgörande:de avslöjade att ett andra pulsationsläge dök upp i stjärnan. Dessa två distinkta ljudvågor "detunes" båda när stjärnan krymper, vilket gör det möjligt att fastställa stjärnans egenskaper med mycket högre noggrannhet än någonsin tidigare.

Detaljerad fysisk modellering av stjärnan utfördes av den ledande utredaren Dr Meridith Joyce vid Australian National University i Canberra, Australien. Genom sitt samarbete astronomerna reproducerade beteendet hos T UMi med toppmoderna stjärnutvecklings- och pulsationskoder.

"Även om våra tekniker för att modellera stjärnor har förbättrats avsevärt under de senaste decennierna, det ligger i framkant av vår förmåga att modellera en så kort evolutionär händelse med denna typ av precision. Projektet krävde utveckling av helt ny programvara och dataextraktionsverktyg, " sa Dr. Joyce. För att sätta uppgiftens svårighet i sitt sammanhang:modellerna är designade för att kartlägga miljarder år av stjärnliv, men precision i storleksordningen 5–10 år krävs för att beräkna pulsationsperioderna.

Men modellerna var framgångsrika. I slutet, beräkningarna visade mycket starka bevis för att T UMi går in i en termisk puls, och visade dessutom att stjärnan föddes för 1,2 miljarder år sedan med ungefär två gånger solens massa. Detta är den mest exakta mass- och åldersuppskattningen för denna typ av gammal, enda stjärna som någonsin uppnåtts.

Och modellerna har avslöjat insikter om inte bara stjärnans förflutna, men dess framtid också:astronomerna har kommit fram till att denna sammandragningsfas kommer att pågå i totalt 80–100 år, vilket innebär att vi kommer att kunna se stjärnan expandera utåt igen om 40–60 år. Att testa denna förutsägelse kommer att vara mycket enkelt:vi behöver bara framtida generationer av amatörastronomer för att fortsätta observera ljusvariationerna i T UMi.

Ser man längre fram i tiden, modellerna tyder också på att stjärnan upplever en av sina sista termiska pulser, och kunde därmed gå in i sin vita dvärgfas inom tio till hundratusentals år. "Det är en nykter tanke att även "snabba" händelser, som början av termisk puls i en stjärna, mäts fortfarande i decennier. Det kan ta hela ens vetenskapliga karriär att äntligen bevisa, eller motbevisa, denna typ av förutsägelse. Ändå, vi planerar att hålla ett öga på T UMi under överskådlig framtid, "Dr. Molnár, medansvarig utredare för studien, avslutade.

Detta kommer att ge ett av de mest kritiska och direkta testerna av våra modeller av stjärnutveckling hittills, men, den direkta observationen av en termisk puls har också bredare implikationer. Termiska pulser berikar hela universum. Flera element, inklusive kol, kväve, tenn, och leda, produceras inte av supernovor, utan snarare i djupet av gamla stjärnor som T UMi.

Dessa element kan nå stjärnans yta och komma in i det omgivande interstellära mediet genom blandningen som induceras under en puls. Därifrån, stjärnvindar driver ut dem i galaxen i form av små dammfläckar. Dessa dammkorn är byggstenarna i nästa generations stjärnor, gör att planeter bildas runt stjärnor, och kanske till och med kolbaserat liv på dessa planeter, möjlig.

"Vi är glada över att ha deltagit i detta arbete, " sa Dr Stella Kafka, Verkställande direktör för AAVSO. "Detta är ett utmärkt exempel på samarbete mellan professionella astronomer och våra observatörer som mödosamt tillhandahållit data i årtionden. Det är fantastiskt att se nya resultat på en gammal favorit."

Resultaten av denna studie har publicerats i The Astrophysical Journal . En förtryckt version är gratis tillgänglig på arXiv.