Att gissa din ålder kan vara ett populärt karnevalsspel, men för astronomer är det en riktig utmaning att bestämma stjärnornas åldrar. När en stjärna som vår sol väl har satt sig i en stadig kärnfusion, eller den mogna fasen av sitt liv, förändras den lite på miljarder år. Ett undantag från den regeln är stjärnans rotationsperiod – hur snabbt den snurrar. Genom att mäta rotationsperioderna för hundratusentals stjärnor lovar NASA:s Nancy Grace Roman Space Telescope att ge nya förståelser av stjärnpopulationer i vår Vintergatans galax efter det att den har lanserats i maj 2027.
Stjärnor föds snurrande snabbt. Men stjärnor med vår sols massa eller mindre kommer gradvis att sakta ner under miljarder år. Den avmattningen orsakas av interaktioner mellan en ström av laddade partiklar som kallas stjärnvinden och stjärnans eget magnetfält. Interaktionerna tar bort vinkelmomentum, vilket får stjärnan att snurra långsammare, ungefär som en skridskoåkare saktar ner när de sträcker ut sina armar.
Denna effekt, som kallas magnetisk bromsning, varierar beroende på styrkan på stjärnans magnetfält. Stjärnor som snurrar snabbare har starkare magnetfält, vilket gör att de saktar ner snabbare. På grund av påverkan av dessa magnetiska fält kommer stjärnor med samma massa och ålder efter cirka en miljard år att snurra i samma takt. Därför, om du känner till en stjärnas massa och rotationshastighet, kan du potentiellt uppskatta dess ålder. Genom att känna till åldrarna för en stor population av stjärnor kan vi studera hur vår galax bildades och utvecklades över tiden.
Hur mäter astronomer rotationshastigheten för en avlägsen stjärna? De letar efter förändringar i stjärnans ljusstyrka på grund av stjärnfläckar. Stjärnfläckar, som solfläckar på vår sol, är kallare, mörkare fläckar på en stjärnas yta. När en stjärnfläck syns kommer stjärnan att vara något svagare än när fläcken är på andra sidan stjärnan.
Om en stjärna har en enda stor fläck på sig, skulle den uppleva ett regelbundet mönster av nedtoning och ljusning när fläcken roterade in och ut ur synen. (Denna nedtoning kan särskiljas från en liknande effekt som orsakas av en exoplanet i transit.) Men en stjärna kan ha dussintals fläckar utspridda över sin yta samtidigt, och dessa fläckar varierar över tiden, vilket gör det mycket svårare att reta ut periodiskt signaler om dämpning från stjärnans rotation.
Tillämpa artificiell intelligens
Ett team av astronomer vid University of Florida utvecklar nya tekniker för att extrahera en rotationsperiod från mätningar av en stjärnas ljusstyrka över tid.
De använder en typ av artificiell intelligens som kallas ett konvolutionellt neuralt nätverk för att analysera ljuskurvor, eller plotter av en stjärnas ljusstyrka, över tid. För att göra detta måste det neurala nätverket först tränas på simulerade ljuskurvor. Postdoktor vid University of Florida, Zachary Claytor, vetenskapens huvudforskare i projektet, skrev ett program som heter "butterpy" för att generera sådana ljuskurvor.
"Det här programmet låter användaren ställa in ett antal variabler, som stjärnans rotationshastighet, antalet fläckar och fläcklivslängder. Sedan kommer det att beräkna hur fläckar dyker upp, utvecklas och avklingar när stjärnan roterar och omvandlar den fläckutvecklingen till en ljuskurva - vad vi skulle mäta på avstånd", förklarade Claytor.
Teamet har redan tillämpat sitt utbildade neurala nätverk på data från NASA:s TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Systematiska effekter gör det mer utmanande att noggrant mäta längre stjärnrotationsperioder, men teamets tränade neurala nätverk kunde noggrant mäta dessa längre rotationsperioder med hjälp av TESS-data.
Roman's star survey
Det kommande romerska rymdteleskopet kommer att samla in data från hundratals miljoner stjärnor genom sin Galactic Bulge Time Domain Survey, en av tre grundläggande samhällsundersökningar som det kommer att genomföra. Roman kommer att blicka mot vår galax centrum – en region full av stjärnor – för att mäta hur många av dessa stjärnor som förändras i ljusstyrka över tiden. Dessa mätningar kommer att möjliggöra flera vetenskapliga undersökningar, från att söka efter avlägsna exoplaneter till att bestämma stjärnornas rotationshastigheter.
Den specifika undersökningsdesignen utvecklas fortfarande av det astronomiska samfundet. Studien om stjärnrotation lovar att hjälpa till att informera potentiella undersökningsstrategier.
"Vi kan testa vilka saker som spelar roll och vad vi kan dra ut ur de romerska uppgifterna beroende på olika undersökningsstrategier. Så när vi faktiskt får uppgifterna har vi redan en plan", säger Jamie Tayar, biträdande professor i astronomi vid University of Florida och programmets huvudutredare.
"Vi har redan många av verktygen och vi tror att de kan anpassas till Roman", tillade hon.
Tillhandahålls av Space Telescope Science Institute
