Gamle i hjertet:En løsning på røde giganters aldersparadoks

Fire år siden, flere røde kæmpestjerner blev opdaget for at udgøre et paradoks:selvom de er bygget af meget gammelt stjernemateriale, deres store masser indikerer en klart yngre alder. Forskere fra Max Planck Institute for Solar System Research (Tyskland), Aarhus Universitet (Danmark), og Ohio State University (U.S.) har nu løst den tilsyneladende modsigelse. For første gang, de undersøgte mængderne af kulstof, nitrogen, og ilt hvirvlede fra kernerne af disse stjerner til deres overflader. Dette giver mulighed for et indirekte blik på processer dybt inde. Flere af de undersøgte røde kæmper må have fusioneret med andre under et fremskredent stadium af stjernernes udvikling, konkluderer forskerne. I disse tilfælde, masse er ikke et passende kriterium for aldersbestemmelse; stjernerne er virkelig gamle.

Hovedsekvensstjerne, rød kæmpe, hvid dværg — i løbet af deres levetid, der dækker millioner eller endda milliarder af år, stjerner passerer gennem forskellige stadier af stjernernes udvikling - alle er meget forskellige i udseende. Endnu, stjerner afslører ikke let deres alder, i hvert fald ikke ved første øjekast. Varigheden af ​​hver fase er for meget forskellig fra stjerne til stjerne. Med et dybere blik, imidlertid, forskere kan rekonstruere stjernens livshistorie. Forskellige metoder gør det nu muligt pålideligt at bestemme en stjernes alder.

Men der er vanskelige sager:For fire år siden, to grupper af forskere ledet af Leibniz Institute for Astrophysics og Max Planck Institute for Astronomy opdagede forvirrende røde kæmpestjerner. Resultaterne af forskellige aldersmålinger afveg med hele fire milliarder år. "Stjernerne så ud til at være gamle og unge på samme tid, " Dr. Saskia Hekker fra MPS og Aarhus Universitet i Danmark, som var en del af begge opdagelseshold på det tidspunkt og nu er den første forfatter til den nye undersøgelse, husker. "Dette tilsyneladende paradoks har fascineret mig lige siden, " tilføjer hun. Sammen med sin kollega Dr. Jennifer A. Johnson fra Ohio State University, hun har nu løst mysteriet om nogle af disse stjerner. Begge forskere er overbeviste om, at de mærkelige stjerner kun foregiver ungdommelighed.

De røde kæmpers byggemateriale peger på en oldtidsalder på mere end 10 milliarder år. Stjernerne indeholder forholdsvis lidt jern, et grundstof, der i løbet af den galaktiske evolution kun blev produceret langsomt. Gamle stjerner indeholder derfor lidt jern sammenlignet med andre stoffer som magnesium, silicium, og calcium, mens unge stjerner indeholder mere. For at bestemme disse grundstoffers forhold opdeler videnskabsmænd lyset fra den respektive stjerne i dens individuelle bølgelængder. I dette såkaldte spektrum, hvert element fundet i stjernen efterlader et karakteristisk fingeraftryk. En anden metode til aldersbestemmelse ser på en stjernes svingninger. Med metoder til asteroseismologi er det muligt derefter at udlede stjernens masse.

Da der hersker særligt høje temperaturer inde i tunge stjerner, deres brændstof forbrænder forholdsvis hurtigt. Tunge stjerner har derfor en meget kortere forventet levetid end dem med lav masse. De pågældende røde giganter viste sig at være sande sværvægtere. Den asteroseismiske metode giver derfor aldre på mindre end 6 milliarder år.

Den nye undersøgelse løser nu denne modsætning. Forskerne kunne vise, at nogle af stjernerne ser tilbage på en ekstremt begivenhedsrig fortid. "Nogle af de mystiske stjerner må være smeltet sammen med andre under eller efter deres forvandling til røde kæmper, " Dr. Saskia Hekker opsummerer resultaterne. "Deres store masse er ikke en original egenskab og derfor ikke egnet til aldersbestemmelse, " tilføjer hun. "Stjernerne er virkelig gamle."

Nøglen til disse resultater var mængden af ​​kulstof, nitrogen, og ilt fundet ved stjernernes overflade. Disse elementer giver mulighed for et indirekte kig ind i stjernernes indre. Når såkaldte hovedsekvensstjerner, dvs. dem i samme udviklingsstadium som Solen, blive til røde kæmper mod slutningen af ​​deres liv, deres indre funktioner ændrer sig:kulstof, nitrogen, og ilt, som dannes i kernen, kan mudres op til overfladen i enorme plasmastrømme og kan derefter detekteres. Afhængigt af hvor varm – og dermed massiv – den pågældende stjerne er, elementerne kan findes i forskellige forhold.

I nogle af deres målinger, forskerne fandt værdier, der er typiske for stjerner med lav masse. "Før de blev røde kæmper, disse stjerner må have været forholdsvis lette, " konkluderer Dr. Jennifer Johnson fra Ohio State University. "Deres nuværende høje masse kan forklares med, at de som røde kæmper er smeltet sammen med andre stjerner, " argumenterer hun.

Forklaringen gælder ikke for alle de undersøgte stjerner. For nogle, den høje masse, der blev bestemt for år tilbage ved hjælp af asteroseismologi, falder godt sammen med tilstedeværelsen af ​​kulstof, nitrogen, og ilt på deres overflade. "Disse stjerner kunne have smeltet sammen med andre på et tidligere udviklingsstadium, før nukleart materiale blev hvirvlet op til overfladen, " siger Hekker. En endelig forklaring mangler stadig.

Den nye undersøgelse tilbyder også en ny tilgang til spørgsmålet om, hvor ofte stjerner kolliderer og smelter sammen som et resultat. Røde kæmper med en så turbulent fortid kunne nu spores via aldersbestemmelsens omvej.