Ny forskning afslører skjulte processer, der arbejder i store stjerners hjerter

Astronomer refererer almindeligvis til massive stjerner som universets kemiske fabrikker. De ender generelt deres liv i spektakulære supernovaer, begivenheder, der skaber mange af grundstofferne i det periodiske system. Hvordan elementære kerner blandes i disse enorme stjerner har stor indflydelse på vores forståelse af deres udvikling før deres eksplosion. Det repræsenterer også den største usikkerhed for forskere, der studerer deres struktur og udvikling.

Et hold af astronomer ledet af May Gade Pedersen, en postdoc ved UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik, har nu målt den indre blanding i et ensemble af disse stjerner ved hjælp af observationer af bølger fra deres dybe indre. Mens forskere har brugt denne teknik før, dette papir markerer første gang, dette er blevet opnået for en så stor gruppe stjerner på én gang. Resultaterne, udgivet i Natur astronomi , vise, at den interne blanding er meget forskelligartet, uden nogen klar afhængighed af en stjernes masse eller alder.

Stjerner bruger størstedelen af ​​deres liv på at fusionere brint til helium dybt inde i deres kerne. Imidlertid, fusionen i særligt massive stjerner er så koncentreret i midten, at den fører til en turbulent konvektiv kerne, der ligner en gryde med kogende vand. Konvektion, sammen med andre processer som rotation, fjerner effektivt heliumaske fra kernen og erstatter den med brint fra kappen. Dette gør det muligt for stjernerne at leve meget længere end ellers forudsagt.

Astronomer mener, at denne blanding stammer fra forskellige fysiske fænomener, som intern rotation og interne seismiske bølger i plasmaet exciteret af den konvektionskerne. Imidlertid, teorien er stort set forblevet ubegrænset af observationer, da den forekommer så dybt inde i stjernen. Det sagt, der er en indirekte metode til at kigge ind i stjerner:asteroseismologi, undersøgelse og fortolkning af stjerneoscillationer. Teknikken har paralleller til, hvordan seismologer bruger jordskælv til at sondere Jordens indre.

"Undersøgelsen af ​​stjerneoscillationer udfordrer vores forståelse af stjernestruktur og evolution, " sagde Pedersen. "De giver os mulighed for direkte at undersøge stjernernes indre og foretage sammenligninger med forudsigelserne fra vores stjernemodeller."

Pedersen og hendes samarbejdspartnere fra KU Leuven, universitetet i Hasselt, og University of Newcastle har været i stand til at udlede den interne blanding for et ensemble af sådanne stjerner ved hjælp af asteroseismologi. Det er første gang en sådan bedrift er opnået, og var kun muligt takket være en ny prøve af 26 langsomt pulserende stjerner af B-typen med identificerede stjerneoscillationer fra NASAs Kepler-mission.

Langsomt pulserende stjerner af B-typen er mellem tre og otte gange mere massive end Solen. De udvider og trækker sig sammen på tidsskalaer i størrelsesordenen 12 timer til 5 dage, og kan ændre lysstyrken med op til 5 %. Deres oscillationstilstande er særligt følsomme over for forholdene nær kernen, Pedersen forklarede.

"Den interne blanding inde i stjerner er nu blevet målt observationelt og viser sig at være forskelligartet i vores prøve, med nogle stjerner, der næsten ikke blander sig, mens andre afslører niveauer en million gange højere, " sagde Pedersen. Mangfoldigheden viser sig ikke at være relateret til stjernens masse eller alder. Snarere, det er primært påvirket af den interne rotation, selvom det ikke er den eneste faktor, der spiller ind.

"Disse asteroseismiske resultater giver endelig astronomer mulighed for at forbedre teorien om intern blanding af massive stjerner, som hidtil er forblevet ukalibreret af observationer, der kommer direkte fra deres dybe indre, " tilføjede hun.

Den præcision, hvormed astronomer kan måle stjerneoscillationer, afhænger direkte af, hvor længe en stjerne observeres. Forøgelse af tiden fra en nat til et år resulterer i en tusind gange stigning i den målte præcision af oscillationsfrekvenser.

"May og hendes samarbejdspartnere har virkelig vist værdien af ​​asteroseismiske observationer som sonder af stjerners dybe indre på en ny og dybtgående måde, " sagde KITP-direktør Lars Bildsten, Gluck-professoren i teoretisk fysik. "Jeg er spændt på at se, hvad hun finder næste gang."

De bedste data, der i øjeblikket er tilgængelige for dette, kommer fra Kepler-rummissionen, som observerede den samme del af himlen i fire sammenhængende år. De langsomt pulserende stjerner af B-typen var de største pulserende stjerner, som teleskopet observerede. Mens de fleste af disse er lidt for små til at blive supernova, de deler den samme indre struktur som de mere massive stjernekemiske fabrikker. Pedersen håber, at indsigt fra studier af B-stjernerne vil kaste lys over deres højere masses indre funktion, O-type modstykker.

Hun planlægger at bruge data fra NASAs Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) til at studere grupper af oscillerende højmassestjerner i OB-foreninger. Disse grupper omfatter 10 til mere end 100 massive stjerner mellem 3 og 120 solmasser. Stjerner i OB-foreninger er født fra den samme molekylære sky og deler samme alder, forklarede hun. Det store udvalg af stjerner, og begrænsninger fra deres fælles aldre, giver spændende nye muligheder for at studere de indre blandingsegenskaber af højmassestjerner.

Ud over at afsløre de processer, der er skjult i stjernernes interiører, forskning i stjerneoscillationer kan også give oplysninger om stjernernes andre egenskaber.

"Stjerneoscillationerne giver os ikke kun mulighed for at studere stjernernes indre blanding og rotation, men også bestemme andre stjerneegenskaber såsom masse og alder, Pedersen forklarede. "Selvom disse begge er to af de mest fundamentale stjerneparametre, de er også nogle af de sværeste at måle."