Stjärnor utspridda över hela kosmos ser annorlunda ut, men de kan vara mer lika än en gång trodde, enligt Rice University forskare.

Nytt modellarbete av Rice-forskare visar att "coola" stjärnor som solen delar de dynamiska ytbeteendena som påverkar deras energiska och magnetiska miljöer. Denna stjärnmagnetiska aktivitet är nyckeln till om en given stjärna är värd för planeter som kan försörja liv.

Arbetet av Rice postdoktoralforskare Alison Farrish och astrofysikerna David Alexander och Christopher Johns-Krull visas i en publicerad studie i The Astrophysical Journal. Forskningen kopplar svala stjärnors rotation med beteendet hos deras ytmagnetiska flöde, som i sin tur driver stjärnans koronala röntgenljusstyrka, på ett sätt som kan hjälpa till att förutsäga hur magnetisk aktivitet påverkar alla exoplaneter i deras system.

Studien följer en annan ledd av Farrish och Alexander som visade att en stjärnas rymd-"väder" kan göra planeter i deras "Goldilocks-zon" obeboeliga.

"Alla stjärnor snurrar ner under sin livstid när de tappar vinkelmomentum, och de blir mindre aktiva som ett resultat, ", sade Farrish. "Vi tror att solen i det förflutna var mer aktiv och det kan ha påverkat jordens tidiga atmosfäriska kemi. Så att tänka på hur de högre energiutsläppen från stjärnor förändras över långa tidsskalor är ganska viktigt för exoplanetstudier."

"Bara allmänt, vi tar modeller som utvecklats för solen och ser hur väl de anpassar sig till stjärnor, sa Johns-Krull.

Forskarna bestämde sig för att modellera hur långt borta stjärnor är baserat på den begränsade tillgängliga informationen. Snurrandet och flödet av vissa stjärnor har bestämts, tillsammans med deras klassificering – typer F, G, K och M — som gav information om deras storlekar och temperaturer.

De jämförde solens egenskaper, en stjärna av G-typ, genom sitt Rossby-nummer, ett mått på stjärnaktivitet som kombinerar dess rotationshastighet med dess underjordiska vätskeflöden som påverkar fördelningen av magnetiskt flöde på en stjärnas yta, med vad de visste om andra coola stjärnor. Deras modeller tyder på att varje stjärnas "rymdväder" fungerar på ungefär samma sätt, påverkar förhållandena på sina respektive planeter.

"Studien tyder på att stjärnor - åtminstone coola stjärnor - inte är alltför olika från varandra, ", sa Alexander. "Ur vårt perspektiv, Alisons modell kan tillämpas utan rädsla eller förmån när vi tittar på exoplaneter runt M- eller F- eller K-stjärnor, också, självklart, som andra G-stjärnor.

"Det tyder också på något mycket mer intressant för etablerad stjärnfysik, att processen genom vilken ett magnetfält genereras kan vara ganska lika i alla kalla stjärnor. Det är lite av en överraskning, " sa han. Detta kan inkludera stjärnor som till skillnad från solen, är konvektiv ner till sina kärnor.

"Alla stjärnor som solen smälter samman väte och helium i sina kärnor och den energin transporteras först i strålningen av fotoner mot ytan, " sa Johns-Krull. "Men den träffar en zon ungefär 60 % till 70 % av vägen som är alldeles för ogenomskinlig, så det börjar genomgå konvektion. Het materia rör sig underifrån, energin strålar bort, och det svalare materialet faller ner igen.

"Men stjärnor med mindre än en tredjedel av solens massa har ingen strålningszon, de är konvektiv överallt, ", sa han. "Många idéer om hur stjärnor genererar ett magnetfält är beroende av att det finns en gräns mellan strålningszonen och konvektionszonen, så du kan förvänta dig att stjärnor som inte har den gränsen beter sig annorlunda. Detta dokument visar att på många sätt, de beter sig precis som solen, när du väl anpassar dig efter deras egna särdrag."

Farrish, som nyligen tog sin doktorsexamen vid Rice och snart påbörjar ett postdoktoralt forskningsuppdrag vid NASA:s Goddard Space Flight Center, noterade att modellen endast gäller omättade stjärnor.

"De mest magnetiskt aktiva stjärnorna är de vi kallar "mättade, "" sa Farrish. "Vid en viss tidpunkt, en ökning av magnetisk aktivitet slutar visa den associerade ökningen av högenergiröntgenstrålning. Anledningen till att dumpning av mer magnetism på stjärnans yta inte ger dig mer emission är fortfarande ett mysterium.

"Omvänt, solen är i det omättade regimen, där vi ser en korrelation mellan magnetisk aktivitet och energetisk emission, " sa hon. "Det händer på en mer måttlig aktivitetsnivå, och dessa stjärnor är av intresse eftersom de kan ge mer gästvänliga miljöer för planeter."

"Samlet är observationerna, som spänner över fyra spektraltyper inklusive både helt och delvis konvektiva stjärnor, kan ganska väl representeras av en modell genererad från solen, ", sa Alexander. "Det förstärker också tanken att även om en stjärna som är 30 gånger mer aktiv än solen kanske inte är en stjärna av G-klass, det fångas fortfarande av analysen som Alison har gjort”.

"Vi måste vara tydliga med att vi inte simulerar någon specifik stjärna eller system, " sa han. "Vi säger att statistiskt, det magnetiska beteendet hos en typisk M-stjärna med ett typiskt Rossby-tal uppför sig på ett liknande sätt som solens, vilket gör att vi kan bedöma dess potentiella påverkan på dess planeter."

Ett kritiskt jokertecken är en stjärnas aktivitetscykel, som inte kan införlivas i modellerna utan år av observation. (Solens cykel är 11 år, bevisas av solfläcksaktivitet när dess magnetiska fältlinjer är som mest förvrängda.)

Johns-Krull sa att modellen fortfarande kommer att vara användbar på många sätt. "Ett av mina intresseområden är att studera mycket unga stjärnor, varav många är, som lågmassa stjärnor, helt konvektiv, ", sa han. "Många av dessa har skivmaterial runt sig och bildar fortfarande planeter. Hur de interagerar förmedlas, Vi tror, av stjärnmagnetfältet.

"Så, Alisons modelleringsarbete kan användas för att lära sig om den storskaliga strukturen hos mycket magnetiskt aktiva stjärnor, och det kan sedan tillåta oss att testa några idéer om hur dessa unga stjärnor och deras skivor interagerar."

Minjing Li, en gäststudent från University of Science and Technology i Kina, är medförfattare till tidningen. Alexander är professor i fysik och astronomi och chef för Rice Space Institute. Johns-Krull är professor i fysik och astronomi.