Lavinestatistikker tyder på, at Tabbys stjerne er tæt på en kontinuerlig faseovergang

I sin søgen efter ekstrasolare planeter, Kepler-rumteleskopet leder efter stjerner, hvis lysstrøm periodisk dæmpes, signalerer forbigangen af ​​en planet i kredsløb foran stjernen. Men timingen og varigheden af ​​episoder med nedsat lysflux, som Kepler opdagede fra KIC 846852, kendt som Tabbys stjerne, er et mysterium. Disse dæmpningshændelser varierer i størrelse og forekommer ikke med regelmæssige intervaller, gør en planet i kredsløb til en usandsynlig forklaring. Kilden til disse usædvanlige dæmpningsbegivenheder er genstand for intens spekulation.

Forslag fra astronomer, astrofysikere, og amatørstjernekiggere har varieret fra asteroidebælter til fremmed aktivitet.

Nu er et team af videnskabsmænd ved University of Illinois i Urbana-Champaign - fysikstuderende Mohammed Sheikh, arbejder sammen med professorerne Karin Dahmen og Richard Weaver – tilbyder en helt ny løsning på Tabbys stjernepuslespil. De antyder, at lysstyrkevariationerne kan være iboende for stjernen selv. Tabbys stjerne er i de fleste henseender en standard F-klasse stjerne, beliggende i stjernebilledet Cygnus, cirka 1, 276 lysår fra Jorden. Dens usædvanlige lyskurve - grafen over dens lysintensitet som funktion af tid - viser intense dæmpningshændelser på op til 20 procent, præget af mindre uregelmæssige dæmpningshændelser.

Weaver kommentarer, "Der er nogle få afslørende tegn på okkultation, eller dæmpning af et uafhængigt organ, der blokerer udsynet. Det vigtigste er periodicitet. I Tabbys stjerne, de små og store begivenheder er ikke periodiske – de forekommer ikke med jævne mellemrum – og dette er et af lyskurvens centrale mysterier. "

Illinois -teamet anvendte en statistisk analyse af lyskurvens mindre uregelmæssige variationer. Det, de fandt, er et matematisk mønster, der stemmer overens med en veletableret lavinemodel:de mindre dæmpende hændelser er "knitrende støj" eller små laviner, der observeres i tidsintervallerne mellem de større laviner, sidestilles med de større dæmpningsbegivenheder. De små dæmpningsarrangementer kommer i en bemærkelsesværdig bred vifte af størrelser, som distribueres efter en simpel skaleringslov. Disse resultater tyder på, at dæmpningsbegivenhederne kan være iboende for Tabbys stjerne, og at stjernen kan være tæt på det kritiske punkt for en underliggende kontinuerlig faseovergang.

Sheikh udførte beregningerne til analysen af ​​observationsdataene. Han forklarer den matematiske metode, som starter med at etablere en median dæmpningstærskel over lyskurven.

"Tærsklen er en kunstgreb, vi tyr til for at definere, hvad en lavine er i lyskurvens sammenhæng. Faktisk, statistikken er ret robust over for, hvor vi vælger tærsklen, så den nøjagtige værdi er ikke vigtig. Det, der er vigtigt, er, at vi får laviner nok til at lave statistik.

Når lyskurven falder under tærsklen, vi betragter sådan en begivenhed som starten på en lavine. Mens lyskurven forbliver under tærsklen, fortsætter lavinen, og den stopper, når den stiger igen til en værdi over tærsklen."

Laviner har to hovedegenskaber, størrelse og varighed. Størrelsen er det samlede areal omgivet af lyskurven (under tærsklen) og tærsklen.

Lavinens størrelse, " fortsætter Sheikh, "er relateret til nettofaldet i energi udsendt af stjernen under dæmpningshændelsen, sammenlignet med en konstant emissionshastighed af stjernen, eller den konstante tærskelværdi. Lavinens varighed er længden af ​​begivenheden. Vi ser også på effektspektraltætheden, som er relateret til hvor meget effekt pr. frekvensenhed der er indeholdt i lyskurven.

"I bund og grund, vi ser på de statistiske fordelinger af udsvingene. Alle disse ting har magtlove forbundet med dem. Dette giver os en uafhængig måde at fortolke begivenhederne på og kontrollere overensstemmelse med modellen."

Magtlove har den interessante egenskab, at de ser ens ud på forskellige skalaer. Så når du zoomer ind til små skalaer og korte tider får du de samme typer statistiske fordelinger, som når du zoomer ud til større skalaer og længere tider. Kraftlove afspejler systemets selvlighed over en bred vifte af længde- og tidsskalaer - svarende til fraktaler - der ser ens ud, når du zoomer ind, eller når du zoomer ud.

Væsentligt, statistikken over Tabby Stars mindre dæmpningsbegivenheder er i overensstemmelse med forudsigelserne fra en skaleringsteori. I hendes forskning, Dahmen har fastslået, at et skaleringsmønster med små begivenheder, der er tegnet af større begivenheder, er typisk for systemer nær en faseovergang. Hun har set dette i den intermitterende deformationsdynamik af nanokrystaller, begivenhedsstatistikken for metalliske briller, sten, og granulerede materialer, og i jordskælv i meget større skalaer, der spænder over 12 årtier i længden. Lignende typer laviner ses også i laviner, der affyrer neuroner i hjernen, i magnetiske systemer, og i mange andre kondenserede stofsystemer.

"Vi ved fra andre systemer nær ikke-ligevægtsfaseovergange, at et system kan have små hændelser, der viser effektlovskalering og store hændelser, der har forskellig dynamik, " Dahmen forklarer. "Eksempler på sådanne overgange er magnetiske systemer, der langsomt drives med et magnetfelt, eller den langsomme deformation af noget sprøde materialer, hvor der ofte først er små krakeleringer, der bliver højere og højere, indtil der er et stort knæk, når materialet går i stykker." "De små begivenheder i vores stjerneanalyse ville være som de små krakeleringer, mens de store begivenheder ville være analogen til den store snap, " fortsætter hun. "Vores gennemsnitlige feltmodel er faktisk i stand til at tage højde for begge dele, små arrangementer og store. Den har en indbygget 'svækkelse'-mekanisme, der forklarer, hvorfor der skulle være to typer laviner."

Hvis dæmpningshændelserne er forbundet med en kommende faseovergang, hvad ville stjernen gå hen imod og i hvilken tidsramme? Weaver forklarer, "Efterhånden som flere data bliver analyseret, håber vi, at det vil være muligt at identificere præcis, hvilken type overgang dette er. Vi har ikke en dyb nok forståelse til at få et endeligt svar, og flere observationer er påkrævet. Vi kan kun spekulere i, hvad en sådan overgang ville være."

"Det er vigtigt at bemærke - mangel på periodicitet alene er ikke nok til at udelukke okkultation. Det er en del af grunden til, at teorier som kometer eller planetaffald er så populære. Vi kan ikke definitivt udelukke disse ting med vores fund, men vi kan sige, at de magtlove, vi har opnået, er mere i overensstemmelse med iboende variation. "

Dahmen tilføjer, "Vores arbejde giver en ramme for, hvordan man analyserer dataene og måske endda klassificerer stjerner efter, hvor tæt eller langt væk stjernerne er fra en sådan overgang. Disse statistiske analyseværktøjer er blevet testet og med succes anvendt til lavinestøj i magnetiske systemer og plastisk deformation. Vi transporterer disse værktøjer til astrofysik for at lære mere om stjernernes dynamik og til sidst for at sammenligne forskellige stjerner.

"Som et næste skridt mener vi, at den samme type analyse bør anvendes på andre stjerner for at se, hvor universel disse udsvingsstatistikker er blandt de stjerner, der allerede er kendt. Med andre ord ville vi bruge statistikken over støjen i lyskurverne i disse stjerner for at lære noget om de dynamiske processer, der foregår inde i stjernen."

Denne forskning er offentliggjort i december 19-udgaven af Fysiske anmeldelsesbreve .