Gaia-mission afslører solens fortid og fremtid

Vi ønsker alle nogle gange, at vi kunne se ind i fremtiden. Nu, takket være de allernyeste data fra ESA's stjernekortlægning Gaia-mission, kan astronomer gøre netop det for solen. Ved nøjagtigt at identificere stjerner med lignende masse og sammensætning kan de se, hvordan vores sol kommer til at udvikle sig i fremtiden. Og dette arbejde strækker sig langt ud over lidt astrofysisk clairvoyance.

Gaias tredje store dataudgivelse (DR3) blev offentliggjort den 13. juni 2022. Et af de vigtigste produkter, der kom ud af denne udgivelse, var en database med de iboende egenskaber af hundreder af millioner af stjerner. Disse parametre inkluderer, hvor varme de er, hvor store de er, og hvilke masser de indeholder.

Gaia tager usædvanligt nøjagtige aflæsninger af en stjernes tilsyneladende lysstyrke, set fra Jorden, og dens farve. At omdanne disse grundlæggende observationsegenskaber til en stjernes iboende egenskaber er et møjsommeligt arbejde.

Orlagh Creevey, Observatoire de la Côte d'Azur, Frankrig, og samarbejdspartnere fra Gaias koordinationsenhed 8, er ansvarlige for at udtrække sådanne astrofysiske parametre fra Gaias observationer. Ved at gøre dette bygger holdet på det banebrydende arbejde fra astronomer, der arbejder ved Harvard College Observatory, Massachusetts, i slutningen af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede.

På det tidspunkt var astronomernes indsats centreret om at klassificere udseendet af 'spektrallinjer'. Disse er mørke linjer, der vises i regnbuen af ​​farver, der produceres, når en stjernes lys splittes med et prisme. Annie Jump Cannon udtænkte en sekvens af spektral klassificering, der ordnede stjernerne efter styrken af ​​disse spektrallinjer. Denne rækkefølge viste sig efterfølgende at være direkte relateret til stjernernes temperatur. Antonia Maury lavede en separat klassificering baseret på bredden af ​​visse spektrallinjer. Det blev senere opdaget, at dette var relateret til en stjernes lysstyrke og alder.

Ved at korrelere disse to egenskaber kan hver stjerne i universet plottes på et enkelt diagram. Kendt som Hertzsprung-Russell (HR) diagrammet er det blevet en af ​​hjørnestenene i astrofysikken. Udtænkt uafhængigt i 1911 af Ejnar Hertzsprung og i 1913 af Henry Norris Russell, et HR-diagram plotter en stjernes iboende lysstyrke mod dens effektive overfladetemperatur. På den måde afslører den, hvordan stjerner udvikler sig gennem deres lange livscyklus.

Mens stjernens masse ændres relativt lidt i løbet af dens levetid, varierer stjernens temperatur og størrelse meget, efterhånden som den ældes. Disse ændringer er drevet af den type kernefusionsreaktioner, der finder sted inde i stjernen på det tidspunkt.

Med en alder på omkring 4,57 milliarder år er vores sol i øjeblikket i sin behagelige middelalder, idet den smelter brint sammen til helium og er generelt ret stabil; holdt lige. Sådan vil det ikke altid være. Efterhånden som brintbrændstoffet løber ud i sin kerne, og ændringer begynder i fusionsprocessen, forventer vi, at det vil svulme op til en rød kæmpestjerne, hvilket sænker dens overfladetemperatur i processen. Præcis hvordan dette sker afhænger af, hvor meget masse en stjerne indeholder og dens kemiske sammensætning. Det er her DR3 kommer ind i billedet.

Orlagh og kolleger finkæmmede dataene på udkig efter de mest nøjagtige stjerneobservationer, som rumfartøjet kunne tilbyde. "Vi ønskede at have en virkelig ren prøve af stjerner med højpræcisionsmålinger," siger Orlagh.

De koncentrerede deres indsats om stjerner, der har overfladetemperaturer på mellem 3000K og 10.000K, fordi disse er de længstlevende stjerner i galaksen og dermed kan afsløre Mælkevejens historie. De er også lovende kandidater til at finde exoplaneter, fordi de stort set ligner solen, som har en overfladetemperatur på 6000K.

Dernæst filtrerede Orlagh og kolleger prøven for kun at vise de stjerner, der havde samme masse og kemiske sammensætning som solen. Da de tillod alderen at være anderledes, endte de stjerner, de valgte, med at spore en linje på tværs af H-R-diagrammet, der repræsenterer vores sols udvikling fra dens fortid ind i dens fremtid. Det afslørede, hvordan vores stjerne vil variere sin temperatur og lysstyrke, når den ældes.

Fra dette arbejde bliver det klart, at vores sol vil nå en maksimal temperatur ved cirka 8 milliarder år gammel, derefter vil den køle ned og stige i størrelse og blive en rød kæmpestjerne omkring 10-11 milliarder år gammel. Solen vil nå slutningen af ​​sit liv efter denne fase, når den til sidst bliver en svag hvid dværg.

At finde stjerner, der ligner solen, er afgørende for at forstå, hvordan vi passer ind i det bredere univers. "Hvis vi ikke forstår vores egen sol - og der er mange ting, vi ikke ved om den - hvordan kan vi forvente at forstå alle de andre stjerner, der udgør vores vidunderlige galakse," siger Orlagh.

Det er en kilde til en vis ironi, at solen er vores nærmeste, mest studerede stjerne, men dens nærhed tvinger os til at studere den med helt andre teleskoper og instrumenter end dem, vi bruger til at se på resten af ​​stjernerne. Det skyldes, at solen er så meget lysere end de andre stjerner. Ved at identificere stjerner, der ligner solen, men denne gang med samme alder, kan vi bygge bro over denne observationskløft.

For at identificere disse "solanaloger" i Gaia-dataene ledte Orlagh og kolleger efter stjerner med temperatur, overfladetyngdekraft, sammensætning, masser og radier, der alle ligner nutidens sol. De fandt 5863 stjerner, der matchede deres kriterier.

Nu hvor Gaia har lavet mållisten, kan andre begynde at undersøge dem for alvor. Nogle af de spørgsmål, de ønsker svar på omfatter:har alle solanaloger planetsystemer, der ligner vores? Roterer alle solanaloger med samme hastighed som solen?

Med datafrigivelse 3 har Gaias yderst nøjagtige instrumentering gjort det muligt at bestemme stjerneparametrene for flere stjerner mere præcist end nogensinde før. Og den nøjagtighed vil give anledning til mange andre undersøgelser. For eksempel kan det at kende stjerner mere præcist hjælpe, når man studerer galakser, hvis lys er sammenlægningen af ​​milliarder af individuelle stjerner.

"Gaia-missionen har berørt overalt i astrofysikken," siger Orlagh. + Udforsk yderligere

Video:Gaia, den milliardstjernede landmåler