NASA-model beskriver nærliggende stjerne, der ligner tidlig sol

Ny forskning ledet af NASA giver et nærmere kig på en nærliggende stjerne, der menes at ligne vores unge sol. Arbejdet giver forskere mulighed for bedre at forstå, hvordan vores sol kan have været, da den var ung, og hvordan det kan have formet atmosfæren på vores planet og udviklingen af ​​liv på Jorden.

Mange mennesker drømmer om at møde en yngre udgave af sig selv for at udveksle råd, identificere oprindelsen af ​​deres definerende træk, og deler håb for fremtiden. 4,65 milliarder år gammel, vores sol er en midaldrende stjerne. Forskere er ofte nysgerrige efter at finde ud af præcis hvilke egenskaber, der muliggjorde vores sol, i sine yngre år, at understøtte livet på den nærliggende Jord.

Uden en tidsmaskine til at transportere videnskabsmænd milliarder af år tilbage, at spore vores stjernes tidlige aktivitet kan virke som en umulig bedrift. Heldigvis, i Mælkevejen-galaksen – det glimtende, spiralsegment af universet, hvor vores solsystem er placeret - der er mere end 100 milliarder stjerner. En ud af ti deler egenskaber med vores sol, og mange er i de tidlige udviklingsstadier.

"Forestil dig, at jeg vil gengive et babybillede af en voksen, da de var et eller to år gamle, og alle deres billeder blev slettet eller tabt. Jeg ville se på et billede af dem nu, og deres nære slægtninges billeder fra omkring den alder, og derfra, rekonstruere deres babybilleder, " sagde Vladimir Airapetian, senior astrofysiker i Heliophysics Division ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og førsteforfatter på den nye undersøgelse. "Det er den slags proces, vi følger her - at se på karakteristika for en ung stjerne, der ligner vores, for bedre at forstå, hvordan vores egen stjerne var i sin ungdom, og hvad gjorde det muligt for den at fremme liv på en af ​​dens nærliggende planeter."

Kappa 1 Ceti er en sådan solanalog. Stjernen er placeret omkring 30 lysår væk (i rummæssig henseende, det er ligesom en nabo, der bor på den næste gade) og anslås at være mellem 600 og 750 millioner år gammel, omkring samme alder som vores sol var, da livet udviklede sig på jorden. Den har også samme masse og overfladetemperatur som vores sol, sagde undersøgelsens anden forfatter, Meng Jin, en heliofysiker ved SETI Institute og Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory i Californien. Alle disse faktorer gør Kappa 1 Ceti til en "tvilling" af vores unge sol på det tidspunkt, hvor livet opstod på Jorden, og et vigtigt studiemål.

Airapetian, Jin, og flere kolleger har tilpasset en eksisterende solmodel for at forudsige nogle af Kappa 1 Cetis vigtigste, dog svær at måle, egenskaber. Modellen er afhængig af datainput fra en række rummissioner, herunder NASA/ESA Hubble Space Telescope, NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite og NICER missioner, og ESA's XMM-Newton. Holdet offentliggjorde deres undersøgelse i dag i Astrofysisk tidsskrift .

Stjernekraft

Ligesom menneskelige småbørn, småbørnsstjerner er kendt for deres høje udbrud af energi og aktivitet. For stjerner, en måde, hvorpå denne indelukkede energi frigives, er i form af en stjernevind.

Stjernevinde, som stjerner selv, består for det meste af en supervarm gas kendt som plasma, dannet, når partikler i en gas har delt sig i positivt ladede ioner og negativt ladede elektroner. Det mest energiske plasma, ved hjælp af en stjernes magnetfelt, kan skyde væk fra den yderste og varmeste del af en stjernes atmosfære, coronaen, i et udbrud, eller strømme mere støt mod nærliggende planeter som stjernevind. "Stjernevind strømmer konstant ud fra en stjerne mod dens nærliggende planeter, at påvirke disse planeters miljøer, " sagde Jin.

Yngre stjerner har en tendens til at generere varmere, kraftigere stjernevinde og kraftigere plasmaudbrud end ældre stjerner gør. Sådanne udbrud kan påvirke atmosfæren og kemien på planeter i nærheden, og muligvis endda katalysere udviklingen af ​​organisk materiale - byggestenene til liv - på disse planeter.

Stjernevind kan have en betydelig indvirkning på planeter på alle stadier af livet. Men de stærke, meget tætte stjernevinde fra unge stjerner kan komprimere de beskyttende magnetiske skjolde på omgivende planeter, gør dem endnu mere modtagelige for virkningerne af de ladede partikler.

Vores sol er et perfekt eksempel. Sammenlignet med nu, i sit barndom, vores sol roterede sandsynligvis tre gange hurtigere, havde et stærkere magnetfelt, og skød mere intens højenergistråling og partikler ud. Disse dage, for heldige tilskuere, indvirkningen af ​​disse partikler er nogle gange synlig nær planetens poler som nordlys, eller nord- og sydlys. Airapetian siger for 4 milliarder år siden, i betragtning af virkningen af ​​vores solvind på det tidspunkt, disse enorme lys var sandsynligvis ofte synlige fra mange flere steder rundt om på kloden.

Det høje aktivitetsniveau i vores sols begyndelse kan have skubbet Jordens beskyttende magnetosfære tilbage, og sørgede for planeten - ikke tæt nok til at blive brændt som Venus, heller ikke langt nok til at blive forsømt som Mars - med den rette atmosfæriske kemi til dannelsen af ​​biologiske molekyler.

Lignende processer kan udfolde sig i stjernesystemer på tværs af vores galakse og univers.

"Det er min drøm at finde en stenet exoplanet i den fase, som vores planet var i for mere end 4 milliarder år siden, bliver formet af sine unge, aktiv stjerne og næsten klar til at være vært for livet, " sagde Airapetian. "At forstå, hvordan vores sol var, lige da livet begyndte at udvikle sig på Jorden, vil hjælpe os med at forfine vores søgen efter stjerner med exoplaneter, der i sidste ende kan være vært for liv."

En solar tvilling

Selvom solanaloger kan hjælpe med at løse en af ​​udfordringerne ved at kigge ind i solens fortid, tid er ikke den eneste komplicerende faktor i at studere vores unge sol. Der er også afstand.

Vi har instrumenter, der er i stand til nøjagtigt at måle stjernevinden fra vores egen sol, kaldet solvinden. Imidlertid, det er endnu ikke muligt direkte at observere stjernevinden fra andre stjerner i vores galakse, ligesom Kappa 1 Ceti, fordi de er for langt væk.

Når videnskabsmænd ønsker at studere en begivenhed eller et fænomen, som de ikke direkte kan observere, videnskabelig modellering kan hjælpe med at udfylde hullerne. Modeller er repræsentationer eller forudsigelser af et studieobjekt, bygger på eksisterende videnskabelige data. Mens forskere tidligere har modelleret stjernevinden ud fra denne stjerne, Airapetian sagde, de brugte mere forenklede antagelser.

Grundlaget for den nye model af Kappa 1 Ceti af Airapetian, Jin, og kolleger er Alfvén Wave Solar Model, som er inden for Space Weather Modeling Framework udviklet af University of Michigan. Modellen fungerer ved at indtaste kendt information om en stjerne, inklusive dets magnetfelt og ultraviolette emissionslinjedata, at forudsige stjernevindaktivitet. Når modellen er blevet testet på vores sol, det er blevet valideret og kontrolleret mod observerede data for at verificere, at dets forudsigelser er nøjagtige.

"Den er i stand til at modellere vores stjernes vinde og korona med høj troskab, " sagde Jin. "Og det er en model, vi kan bruge på andre stjerner, også, at forudsige deres stjernevind og derved undersøge beboelighed. Det er, hvad vi gjorde her."

Tidligere undersøgelser har trukket på data indsamlet af Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) og Hubble Space Telescope (HST) for at identificere Kappa 1 Ceti som en ung solar proxy, og at indsamle de nødvendige input til modellen, such as magnetic field and ultraviolet emission line data.

"Every model needs input to get output, " Airapetian said. "To get useful, accurate output, the input needs to be solid data, ideally from multiple sources across time. We have all that data from Kappa 1 Ceti, but we really synthesized it in this predictive model to move past previous purely observational studies of the star."

Airapetian likens his team's model to a doctor's report. To get a full picture of how a patient is doing, a doctor is likely to talk to the patient, gather markers like heart rate and temperature, and if needed, conduct several more specialized tests, like a blood test or ultrasound. They are likely to formulate an accurate assessment of patient well-being with a combination of these metrics, ikke kun én.

Tilsvarende by using many pieces of information about Kappa 1 Ceti gathered from different space missions, scientists are better able to predict its corona and the stellar wind. Because stellar wind can affect a nearby planet's magnetic shield, it plays an important role in habitability. The team is also working on another project, looking more closely at the particles that may have emerged from early solar flares, as well as prebiotic chemistry on Earth.

Our sun's past, skrevet i stjernerne

The researchers hope to use their model to map the environments of other sun-like stars at various life stages.

Specifikt, they have eyes on the infant star EK Dra—111 light-years away and only 100 million years old—which is likely rotating three times faster and shooting off more flares and plasma than Kappa 1 Ceti. Documenting how these similar stars of various ages differ from one another will help characterize the typical trajectory of a star's life.

Deres arbejde, Airapetian said, is all about "looking at our own sun, its past and its possible future, through the lens of other stars."

To learn more about our sun's stormy youth, watch this video and see how energy from our young sun—4 billion years ago—aided in creating molecules in Earth's atmosphere, allowing it to warm up enough to incubate life.