Hvordan NASAs romerske teleskop vil måle stjernernes alder

At gætte din alder kan være et populært karnevalsspil, men for astronomer er det en reel udfordring at bestemme stjernernes alder. Når først en stjerne som vores sol har sat sig ind i en stabil nuklear fusion, eller den modne fase af dens liv, ændrer den sig lidt i milliarder af år. En undtagelse fra denne regel er stjernens rotationsperiode – hvor hurtigt den drejer. Ved at måle rotationsperioderne for hundredtusindvis af stjerner lover NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope at bringe nye forståelser af stjernepopulationer i vores Mælkevejsgalakse, efter det er opsendt i maj 2027.

Stjerner fødes med at snurre hurtigt. Stjerner med vores sols masse eller mindre vil dog gradvist bremse over milliarder af år. Denne afmatning er forårsaget af interaktioner mellem en strøm af ladede partikler kendt som stjernevinden og stjernens eget magnetfelt. Interaktionerne fjerner vinkelmomentum, hvilket får stjernen til at spinde langsommere, ligesom en skøjteløber vil sænke farten, når de strækker armene ud.

Denne effekt, kaldet magnetisk bremsning, varierer afhængigt af styrken af ​​stjernens magnetfelt. Hurtigere roterende stjerner har stærkere magnetfelter, hvilket får dem til at bremse hurtigere. På grund af påvirkningen af ​​disse magnetiske felter vil stjerner med samme masse og alder efter omkring en milliard år spinde med samme hastighed. Derfor, hvis du kender en stjernes masse og rotationshastighed, kan du potentielt estimere dens alder. Ved at kende alderen på en stor bestand af stjerner kan vi studere, hvordan vores galakse blev dannet og udviklet sig over tid.

Måler stjernernes rotation

Hvordan måler astronomer rotationshastigheden af ​​en fjern stjerne? De leder efter ændringer i stjernens lysstyrke på grund af stjernepletter. Stjernepletter, ligesom solpletter på vores sol, er køligere, mørkere pletter på en stjernes overflade. Når en stjerneplet ses, vil stjernen være lidt mere svag, end når stedet er på den anden side af stjernen.

Hvis en stjerne har en enkelt, stor plet på sig, vil den opleve et regelmæssigt mønster af dæmpning og lysere, når pletten roterede ind og ud af synet. (Denne dæmpning kan adskilles fra en lignende effekt forårsaget af en transiterende exoplanet.) Men en stjerne kan have snesevis af pletter spredt ud over sin overflade på et hvilket som helst tidspunkt, og disse pletter varierer over tid, hvilket gør det meget sværere at drille ud periodisk signaler om dæmpning fra stjernens rotation.

Anvendelse af kunstig intelligens

Et team af astronomer ved University of Florida udvikler nye teknikker til at udtrække en rotationsperiode fra målinger af en stjernes lysstyrke over tid.

De bruger en type kunstig intelligens kendt som et foldet neuralt netværk til at analysere lyskurver eller plot af en stjernes lysstyrke over tid. For at gøre dette skal det neurale netværk først trænes på simulerede lyskurver. Postdoc ved University of Florida, Zachary Claytor, videnskabens hovedefterforsker på projektet, skrev et program kaldet "butterpy" for at generere sådanne lyskurver.

"Dette program lader brugeren indstille en række variabler, såsom stjernens rotationshastighed, antallet af pletter og pletlevetider. Derefter beregner det, hvordan pletter opstår, udvikler sig og henfalder, når stjernen roterer og konverterer den pletudvikling til en lyskurve - hvad vi ville måle på afstand," forklarede Claytor.

Holdet har allerede anvendt deres trænede neurale netværk til data fra NASAs TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Systematiske effekter gør det mere udfordrende nøjagtigt at måle længere stjernerotationsperioder, men alligevel var holdets trænede neurale netværk i stand til nøjagtigt at måle disse længere rotationsperioder ved hjælp af TESS-dataene.

Romersk stjerneundersøgelse

Det kommende romerske rumteleskop vil indsamle data fra hundreder af millioner af stjerner gennem dets Galactic Bulge Time Domain Survey, en af ​​tre centrale samfundsundersøgelser, det vil udføre. Roman vil se mod vores galakse centrum - et område fyldt med stjerner - for at måle, hvor mange af disse stjerner ændrer sig i lysstyrke over tid. Disse målinger vil muliggøre flere videnskabelige undersøgelser, fra at søge efter fjerne exoplaneter til at bestemme stjernernes rotationshastigheder.

Det specifikke undersøgelsesdesign er stadig under udvikling af det astronomiske samfund. Undersøgelsen om stjernernes rotation lover at hjælpe med at informere potentielle undersøgelsesstrategier.

"Vi kan teste, hvilke ting der betyder noget, og hvad vi kan trække ud af de romerske data afhængigt af forskellige undersøgelsesstrategier. Så når vi rent faktisk får dataene, har vi allerede en plan," siger Jamie Tayar, assisterende professor i astronomi ved University of Florida og programmets hovedefterforsker.

"Vi har allerede mange af værktøjerne, og vi tror, ​​de kan tilpasses til Roman," tilføjede hun.

Leveret af Space Telescope Science Institute