Głębokie spojrzenie do serca gwiazd

Naukowcy badają wewnętrzną strukturę odległych słońc oraz ich pulsacje.

Na pierwszy rzut oka wydaje się niemożliwe, aby zajrzeć do wnętrza gwiazdy. Międzynarodowy zespół astronomów pod przewodnictwem Earla Bellingera i Saski Hekker z Instytutu Badań Układu Słonecznego Maxa Plancka w Getyndze, po raz pierwszy określił głęboką strukturę wewnętrzną dwóch gwiazd w oparciu o ich oscylacje.

Nasze Słońce i większość gwiazd doświadcza pulsacji, które rozprzestrzeniają się we wnętrzu gwiazdy jako fale dźwiękowe. Częstotliwości tych fal są odzwierciedlone w świetle gwiazdy, co mogą obserwować astronomowie. Podobnie jak sejsmologowie rozszyfrowali wewnętrzną strukturę naszej planety poprzez analizę trzęsień ziemi, astronomowie określają właściwości gwiazd na podstawie ich pulsacji – dziedzina nauki zwana asterosejsmologią. Teraz, po raz pierwszy, szczegółowa analiza tych pulsacji umożliwiła Earlowi Bellingerowi, Saski Hekker i ich współpracownikom pomiar wewnętrznej struktury dwóch odległych gwiazd.

Obydwie analizowane gwiazdy są częścią układu 16 Cygni (znane jako 16 Cyg A i 16 Cyg B) i są bardzo podobne do Słońca. „Ze względu na niewielką odległość, zaledwie 70 lat świetlnych, gwiazdy te są stosunkowo jasne i dlatego idealnie nadają się do naszej analizy. Wcześniej można było tylko tworzyć modele wnętrza gwiazd. Teraz możemy je mierzyć” – mówi główny autor pracy Earl Bellinger.

Aby stworzyć model wnętrza gwiazdy astronomowie zmieniają modele ewolucji gwiazd, aż jeden z nich będzie pasował do obserwowanego widma częstotliwości. Jednakże pulsacje w modelach teoretycznych różnią się od tych gwiazdowych, najprawdopodobniej z powodu wciąż nieznanej fizyki gwiazd.

W związku z tym Bellinger i Hekker postanowili zastosować odwrotną metodę. Uzyskali lokalne właściwości wnętrza gwiazdy na podstawie obserwowanych częstotliwości. Metoda ta w mniejszym stopniu zależy od założeń teoretycznych, ale wymaga doskonałej jakości danych pomiarowych i jest matematycznie trudna.

Używając metody odwrotnej, badacze zajrzeli ponad 500 000 km w głąb gwiazd i odkryli, że prędkość dźwięku w centralnych regionach jest większa, niż przewidywały modele. „W przypadku 16 Cyg B różnice te można wytłumaczyć, korygując to, co uważaliśmy za masę i rozmiar gwiazdy” – mówi Bellinger. W przypadku 16 Cyg A jednak nie można było określić przyczyny rozbieżności.

Jest możliwe, że dotychczas nieznane zjawiska fizyczne nie są w wystarczającym stopniu uwzględniane przez obecne modele ewolucyjne. „Pierwiastki, które powstały we wczesnych fazach ewolucji gwiazdy, mogły zostać przeniesione z jej jądra do zewnętrznych warstw. Spowodowałoby to zmianę wewnętrznej stratyfikacji gwiazdy, która wpływa na sposób oscylacji” – wyjaśnia Bellinger.

Po pierwszej analizie strukturalnej będzie ich więcej. „W danych z kosmicznego teleskopu Keplera można znaleźć dziesięć do dwudziestu dodatkowych gwiazd odpowiednich do takiej analizy” – mówi Saskia Hekker, która kieruje grupą badawczą Stellar Ages and Galactic Evolution (SAGE) w Instytucie Maxa Plancka w Getyndze. W przyszłości misja NASA TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) i kosmiczny teleskop PLATO (Planetary Transits and Oscillation of Stars) planowany przez ESA, zgromadzą jeszcze więcej danych dla tego obszaru badań.

Metoda odwrotna dostarczy nowych wglądów, które pomogą nam lepiej zrozumieć fizykę działającą w gwiazdach. Doprowadzi to do stworzenia lepszych modeli gwiazd, które następnie poprawią naszą zdolność przewidywania przyszłej ewolucji Słońca i innych gwiazd w Galaktyce.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
A deep look into the hearts of stars

Źródło: Instytut Maxa Plancka

Na zdjęciu: Spojrzenie w serce: wizja artystyczna wnętrza gwiazdy, którą badano dzięki oscylacjom powierzchni. Źródło: Earl Bellinger / ESA