Stjerneudvikling i realtid opdaget i den gamle stjerne T Ursae Minoris

Det lykkedes et internationalt hold af astronomer at opdage tegn på ældning i den røde superkæmpestjerne T UMi. Stjernen i stjernebilledet Lille Bjørn gennemgår i øjeblikket sit sidste kernevåbenhikke, " og vil snart afslutte sit 1,2 milliarder år lange liv.

Forestil dig, at du er en flue, og du vil finde ud af, hvordan mennesker ældes. Du har ikke tid til bare at vælge et eksemplar og vente på det:du skal arbejde med det, du ser lige nu, og prøv at forstå det på en eller anden måde. Dette er kerneproblemet med at finde ud af stjernernes udvikling under menneskelige levetider.

Stjernernes liv udvikler sig meget gradvist, og det meste af tiden kan vi ikke opdage tidens gang i disse objekter. En velkendt undtagelse fra denne regel er en supernovaeksplosion, men langt de fleste stjerner oplever ikke denne fase. Stjerner, der ligner Solen, afslutter deres liv meget mere stille:de bliver til røde supergiganter og derefter til planetariske tåger efter et par milliarder år, og efterlader kun en lille hvid dværg som en rest.

Astronomer har samlet beviser for denne sekvens ved at observere millioner af stjerner, hver med forskellig alder og masse, og ved at beregne "typisk, " eller gennemsnitlig, adfærd ved hjælp af stjernemodeller. Imidlertid, det er svært at finde direkte beviser for, at en bestemt stjerne følger denne vej.

Forskere ved det ungarske videnskabsakademis Konkoly-observatorium, Dr. László Molnár og Dr. László Kiss, og deres internationale samarbejdspartner, Dr. Meridith Joyce, ved Australian National University, er det nu lykkedes at afsløre direkte beviser for denne udvikling takket være et kort vindue af muligheder i slutningen af ​​mindre stjerners liv.

I løbet af de sidste par millioner år, under stjernens overgang fra en rød kæmpe til hvid dværg, energiproduktionen i stjernen bliver ustabil. I denne fase, nuklear fusion blusser op dybt inde, forårsager "hikke, " eller termiske pulser. Disse pulser forårsager drastiske, hurtige ændringer i stjernens størrelse og lysstyrke – synlige gennem århundreder. Det er således muligt for en termisk puls at blive bemærket over menneskelige liv - hvis timingen er rigtig, og vi ved, hvor vi skal lede efter tegnene på den.

Identifikationen er hjulpet af det faktum, at disse gamle stjerner også er variable stjerner. Lydbølger får dem til at udvide sig og trække sig sammen med jævne mellemrum, skabe pulseringer over år lange cyklusser. Disse langsomme, men meget iøjnefaldende lysvariationer i mange stjerner, herunder T UMi, er blevet fulgt af generationer af professionelle og amatørastronomer i over et århundrede. På trods af de lignende vilkår, pulsering og termiske pulser er to adskilte fænomener, og vi kan bruge førstnævnte til at søge efter de afslørende tegn på sidstnævnte:når stjernen krymper under en puls, lydbølgerne når grænserne hurtigere, afkortning af de årelange pulsationsperioder.

T UMi var ikke en særlig bemærkelsesværdig variabel stjerne før 1980'erne, da dens pulsationsperiode begyndte at forkortes drastisk. En termisk puls blev teoretiseret til at være årsagen til denne hidtil usete hurtige ændring af ungarske astronomer i begyndelsen af ​​2000'erne, men stjernernes evolutionære modeller var ikke nøjagtige nok til at matche observationerne med teorien indtil for nylig.

De ungarske forskere havde længe tænkt sig at tage et nyt kig på T UMi, da bedre værktøjer og flere data blev tilgængelige. Som Dr. Kiss forklarede, "I dag, i det andet årti af 2000'erne, vi kan modellere de indvendige strukturer, udvikling, og stjerners svingninger i uovertruffen detaljer og nøjagtighed, takket være enorme udviklinger inden for numerisk astrofysik. Teoretisk forståelse af T Ursae Minoris blev først en reel mulighed i de sidste 4-5 år, men undersøgelserne har aldrig været helt ude af bordet«.

Og deres tålmodighed gav pote, da data indsamlet af det verdensomspændende observatørnetværk af American Association of Variable Star Observers (AAVSO) i løbet af det sidste årti viste sig at være afgørende:de afslørede, at en anden pulsationstilstand dukkede op i stjernen. Disse to distinkte lydbølger "forstyrrer" begge, når stjernen krymper, gør det muligt at fastlægge stjernens egenskaber med meget højere nøjagtighed end nogensinde før.

Detaljeret fysisk modellering af stjernen blev udført af co-lead investigator Dr. Meridith Joyce ved Australian National University i Canberra, Australien. Gennem deres samarbejde astronomerne reproducerede T UMis opførsel med state-of-the-art stjerneudvikling og pulsationskoder.

"Selvom vores teknikker til at modellere stjerner er forbedret markant i de sidste par årtier, det er på forkant med vores evner at modellere sådan en kort evolutionær begivenhed med denne form for præcision. Projektet krævede udvikling af helt ny software og dataekstraktionsværktøjer, " sagde Dr. Joyce. For at sætte opgavens vanskelighed i sammenhæng:modellerne er designet til at kortlægge milliarder af års stjerners liv, men præcision i størrelsesordenen 5-10 år er påkrævet for at beregne pulsationsperioderne.

Men modellerne havde succes. Til sidst, beregningerne afslørede meget stærke beviser for, at T UMi går ind i en termisk puls, og viste desuden, at stjernen blev født for 1,2 milliarder år siden med omtrent dobbelt så stor masse som Solen. Dette er det mest præcise masse- og aldersestimat for denne type gammel, enkelt stjerne nogensinde opnået.

Og modellerne har afsløret indsigt i ikke kun stjernens fortid, men dens fremtid også:astronomerne har konkluderet, at denne sammentrækningsfase vil vare i 80-100 år i alt, betyder, at vi vil kunne se stjernen udvide sig udad igen om 40-60 år. At teste denne forudsigelse vil være meget enkel:vi behøver kun fremtidige generationer af amatørastronomer for at fortsætte med at observere lysvariationerne i T UMi.

Ser man længere i tiden, modellerne tyder også på, at stjernen oplever en af ​​sine sidste termiske impulser, og kunne således gå ind i sin hvide dværgfase inden for ti til hundredtusinder af år. "Det er en tankevækkende tanke, at selv 'hurtige' begivenheder, som begyndelsen af ​​termisk puls i en stjerne, måles stadig i årtier. Det kunne tage hele ens videnskabelige karriere at endelig bevise, eller modbevise, denne form for forudsigelse. Alligevel, vi planlægger at holde øje med T UMi i en overskuelig fremtid, "Dr. Molnár, co-lead investigator af undersøgelsen, afsluttet.

Dette vil give en af ​​de mest kritiske og direkte test af vores modeller for stjernernes udvikling til dato, men, den direkte observation af en termisk puls har også bredere implikationer. Termiske pulser beriger hele universet. Flere elementer, herunder kulstof, nitrogen, tin, og bly, er ikke produceret af supernovaer, men derimod i dybet af gamle stjerner som T UMi.

Disse elementer er i stand til at nå stjernens overflade og trænge ind i det omgivende interstellare medium ved blandingen induceret under en puls. Derfra, stjernevinde presser dem ud i galaksen i form af små støvpletter. Disse støvkorn er byggestenene i de næste generationer af stjerner, gør dannelsen af ​​planeter omkring stjerner, og måske endda kulstofbaseret liv på disse planeter, muligt.

"Vi er glade for at have deltaget i dette arbejde, " sagde Dr. Stella Kafka, administrerende direktør for AAVSO. "Dette er et glimrende eksempel på samarbejde mellem professionelle astronomer og vores observatører, som møjsommeligt leverede data i årtier. Det er fantastisk at se nye resultater på en gammel favorit."

Resultaterne af denne undersøgelse er blevet offentliggjort i The Astrophysical Journal . En fortrykt version er gratis tilgængelig på arXiv.