Nye fund beskriver en metode til at undersøge stjerners indre funktion i en sjælden fase

Om 5 milliarder år eller deromkring, når solen har brugt brinten i sin kerne, den vil pustes op og blive til en rød kæmpestjerne. Denne fase af dets liv - og andre stjerners liv op til det dobbelte af dens masse - er relativt kort sammenlignet med solens mere end 10 milliarder år lange levetid. Den røde kæmpe vil skinne 1000 gange stærkere end solen, og pludselig vil helium dybt inde i sin kerne begynde at smelte sammen til kulstof i en proces, der kaldes "helium kerne flash". Efter dette, stjernen sætter sig i 100 millioner års stille heliumfusion.

Astrofysikere har forudsagt disse glimt i teorien og i modeller i 50 år, men ingen er nogensinde blevet observeret. Imidlertid, et nyt studie i Natur astronomi tyder på, at dette snart kan ændre sig.

"Effekterne af heliumkerneflash er klart forudsagt af modellerne, men vi har ikke fundet nogen observationer, der direkte afspejler dem, sagde medforfatter Jørgen Christensen-Dalsgaard, en Simons Distinguished Visiting Scholar ved UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP) og professor ved Aarhus Universitet i Danmark.

En stjerne som solen drives af at fusionere brint til helium ved temperaturer omkring 15 millioner K. Helium, imidlertid, kræver en meget højere temperatur end brint, omkring 100 millioner K, at begynde at smelte sammen til kulstof, så det akkumuleres simpelthen i kernen, mens en skal af brint fortsætter med at brænde omkring den. Alt imens, stjernen udvider sig til en størrelse, der kan sammenlignes med Jordens kredsløb. Til sidst, stjernens kerne når de perfekte forhold, udløser en voldsom antændelse af helium:heliumkernen flash. Kernen gennemgår flere blink i løbet af de næste 2 millioner år, og sætter sig derefter i en mere statisk tilstand, hvor den fortsætter med at forbrænde alt helium i kernen til kulstof og oxygen i løbet af omkring 100 millioner år.

Heliumkerneflash spiller en integreret rolle i vores forståelse af lavmassestjerners livscyklusser. Desværre, at indsamle data fra kernerne af fjerne stjerner er utroligt svært, så videnskabsmænd har ikke været i stand til at observere dette fænomen.

Kraften i moderne rumbaserede observatorier som Kepler, CoRoT og nu NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) lover at ændre dette. "Tilgængeligheden af ​​meget følsomme målinger fra rummet har gjort det muligt at observere subtile svingninger i lysstyrken af ​​et meget stort antal stjerner, " forklarede Christensen-Dalsgaard.

Heliumkerneflashen producerer en række forskellige bølger, der udbreder sig gennem stjernen. Dette får stjernen til at vibrere som en klokke, hvilket viser sig som en svag variation i dens samlede lysstyrke. Observationer af stjernernes pulseringer har allerede lært astronomerne om processerne inde i stjerner på samme måde, som geologer lærer om Jordens indre ved at studere jordskælv. Denne teknik, kendt som asteroseismologi, er vokset til at blive et blomstrende felt inden for astrofysik.

Kerneblinket sker ganske pludseligt, og som et jordskælv, begynder med en meget energisk begivenhed efterfulgt af en række successivt svagere begivenheder over de næste 2 millioner år - en relativt kort periode i de fleste stjerners liv. Som vist i et tidligt papir i 2012 ledet af KITP-direktør Lars Bildsten og KITP Senior Fellow Bill Paxton, disse stjerners pulseringsfrekvenser er meget følsomme over for forholdene i kernen. Som resultat, asteroseismologi kunne give videnskabsfolk information, der tester vores forståelse af disse processer.

"Vi var på det tidspunkt begejstrede for, at disse nye rumkapaciteter kunne give os mulighed for at bekræfte dette længe undersøgte stykke stjerneudvikling. vi overvejede ikke den endnu mere spændende mulighed, som disse forfattere undersøgte for at bruge den kraftigt konvekerende stjerne til rent faktisk at få stjernen til at ringe, sagde Bildsten.

Hovedformålet med den nye undersøgelse var at afgøre, om disse blinkende områder kunne ophidse pulseringer, der er store nok til, at vi kan se. Og efter måneders analyse og simuleringer, forskerne fandt ud af, at mange burde være relativt nemme at observere.

"Jeg var bestemt overrasket over, at mekanismen faktisk fungerede så godt, sagde Christensen-Dalsgaard.

Den nye og lovende vinkel, der er beskrevet i artiklen, er, at astronomerne har studeret processerne i en meget speciel - og indtil nu ikke særlig godt forstået - type stjerne, der er betegnet som en subdværg B-stjerne. Det er tidligere røde kæmper, der af ukendte årsager, har mistet det meste af deres ydre lag af brint. Subdwarf B-stjerner giver videnskabsmænd en unik mulighed for mere direkte at undersøge en stjernes varme kerne. Hvad mere er, det resterende tynde lag brint er ikke tykt nok til at dæmpe oscillationerne fra de gentagne heliumkerneglimt, giver forskerne mulighed for potentielt at observere dem direkte.

Denne undersøgelse giver den første observationsinformation om de komplekse processer forudsagt af stjernemodeller ved antændelse af heliumfusion. "Dette arbejde tog stor fordel af en række flydende dynamiske beregninger ledet af tidligere KITP Graduate Fellow Daniel Lecoanet, ", bemærkede Bildsten. "Hvis det hele lykkes, disse stjerner kan give en ny prøveplads for dette grundlæggende puslespil inden for astrofysik."

Christensen-Dalsgaard sagde, at han er ivrig efter at anvende disse resultater på faktiske data. Og faktisk heliumkerneglimt kan allerede være observeret. Flere af stjernerne observeret af CoRoT og Kepler viser uforklarlige svingninger, der ligner forudsigelser af heliumkerneglimt. TESS vil vise sig at være afgørende i denne fremtidige forskning, forklarede han, da den vil observere en hel række stjerner, herunder flere, hvor disse pulsationer kan detekteres. Dette vil give yderligere stærke test af modellerne og et indblik i, hvad fremtiden bringer for vores egen sol.