Nowe analizy wskazują metodę badania wnętrza gwiazd w rzadkiej fazie ich ewolucji

Źródło: Jørgen Christensen-Dalsgaard

Za 5 miliardów lat, kiedy Słońce zużyje już cały wodór w swoim jądrze, powiększy się i przejdzie w stadium czerwonego olbrzyma. Ta faza w życiu Słońca – i w życiu innych gwiazd o masie do dwóch mas Słońca – jest stosunkowo krótka w porównania z długością życia gwiazdy, szacowaną na 10 miliardów lat. Czerwony olbrzym będzie świecił 1000 razy jaśniej od Słońca, i nagle hel znajdujący się głęboko w jego jądrze zacznie spalać się w węgiel w procesie zwanym błyskiem helowym. Następnie gwiazda przejdzie w trwający 100 milionów lat etap przemiany helu.

Astrofizycy teoretycznie i w modelach przewidują takie błyski już od 50 lat, a jednak jak dotąd żadnego nie zaobserwowali. Niemniej jednak, w najnowszym artykule opublikowanym w Nature Astronomy, badacze twierdzą, że wkrótce to się zmieni.

“Skutki błysku helowego są dokładnie przewidziane w modelach, ale nie obserwowaliśmy jeszcze niczego, co by je bezpośrednio odzwierciedlało” mówi współautor opracowania Jørgen Christensen-Dalsgaard, profesor na Uniwersytecie w Aarhus w Danii.

Gwiazda taka jak Słońce zasilana jest przez przemianę wodoru w hel w temperaturze około 15 milionów K. Hel jednak wymaga dużo wyższej temperatury niż wodór, około 100 milionów K, aby rozpocząć proces przemiany w węgiel. Z tego też powodu zbiera się on w jądrze, podczas gdy wokół jądra, w wodorowej otoczce wciąż zachodzi przemiana w hel. W międzyczasie, gwiazda powiększa swoje rozmiary do orbity Ziemi. W końcu, w jądrze gwiazdy warunki się zmieniają, prowadząc do gwałtownego zapłonu helu: do błysku helowego. W jądrze zachodzi kilka błysków na przestrzeni kolejnych 2 milionów lat, a następnie gwiazda przechodzi w bardziej statyczny stan, w którym przepala cały hel w węgiel i tlen, co trwa około 100 milionów lat.

Błysk helowy odgrywa integralną rolę w naszej wiedzy o cyklu życia małomasywnych gwiazd. Niestety, zbieranie danych o tym co się dzieje w jądrach odległych gwiazd, jest niewiarygodnie trudne, dlatego też jak dotąd naukowcy nie byli w stanie zaobserwować tego zjawiska.

Możliwości współczesnych teleskopów kosmicznych takich jak Kepler, CoRoT czy TESS pozwalają twierdzić, że to się wkrótce zmieni. “Dostępność bardzo dokładnych pomiarów wykonywanych w przestrzeni kosmicznej, pozwoliła nam obserwować bardzo delikatne oscylacje jasności bardzo dużej liczby gwiazd” mówi Christensen-Dalsgaard.

Błysk helowy prowadzi do propagacji różnych fal przez wnętrze gwiazdy. Fale te prowadzą do wibracji gwiazdy, która widoczna jest pod postacią delikatnej zmienności jej jasności. Obserwacje pulsacji gwiazd mówią astronomom wiele o procesach zachodzących w ich wnętrzach, tak samo jak trzęsienia Ziemi mówią geologom wiele o wnętrzu naszej planety. Owa nowa technika – asterosejsmologia – staje się coraz ciekawszym polem badań w astrofizyce.

Błysk helowy zachodzi dość gwałtownie i niczym trzęsienie ziemi, zaczyna się od bardzo energetycznego zdarzenia, po którym następuje seria stopniowo coraz słabszych zdarzeń zachodzących na przestrzeni kolejnych 2 milionów lat – czyli w stosunkowo krótkim okresie jak na czas życia większości gwiazd. Jak w 2012 roku wykazał Lars Bildsten, dyrektor KITP oraz Bill Paxton, częstotliwości pulsacji tych gwiazd są bardzo wrażliwe na warunki panujące w ich jądrach. Dzięki temu, asterosejsmologia może dostarczyć naukowcom informacje, które testują naszą wiedzę o tych procesach.

“W tym czasie cieszyliśmy się, że nowe możliwości obserwacji z przestrzeni kosmicznej mogą pozwolić nam potwierdzić ten od dawna badany element ewolucji gwiazd. Nie spodziewaliśmy się nawet jeszcze bardziej ekscytującej możliwości obserwowania wibracji tych konwekcyjnych gwiazd” mówi Bildsten.

Głównym celem nowych badań było określenie czy owe regiony błysku mogą prowadzić do powstania pulsacji wystarczająco silnych, abyśmy mogli je obserwować. Po miesiącach analiz i symulacji badacze doszli do wniosku, że wiele z nich powinniśmy obserwować z łatwością.

“Byłem zaskoczony, że ten mechanizm tak dobrze działa” mówi Christensen-Dalsgaard.

Nowe i obiecujące podejście opisane szczegółowo w artykule mówi, że astronomowie badają owe procesy w bardzo szczególnej – i jak dotąd niezbyt dobrze poznanej – klasie gwiazd, tak zwanych podkarłach typu widmowego B. To byłe czerwone olbrzymy, które z nieznanych powodów, utraciły większość swojej zewnętrznej otoczki wodorowej. Podkarły typu B stanowią dla naukowców unikalną okazję bardziej bezpośredniego badania gorącego jądra gwiazdy. Co więcej, pozostała cienka warstwa wodoru nie jest już wystarczająco gruba, aby tłumić oscylacje wywoływane kolejnymi błyskami helowymi, dzięki czemu naukowcy powinni być w stanie obserwować je bezpośrednio.

Omawiany artykuł dostarcza pierwsze obserwacyjne informacje o złożonych procesach przewidzianych przez modele gwiazd w momencie zapłonu helu. “W naszych pracach mocno oparliśmy się na serii obliczeń z dynamiki płynów, przeprowadzonych przez Daniela Lecoaneta” zauważa Bildsten. “Jeżeli faktycznie tak jest, gwiazdy te mogą stać się nowym poligonem badań do rozwiązywania tej fundamentalnej zagadki współczesnej astrofizyki”.

Christensen-Dalsgaard przyznaje, że chce zastosować wyniki tych badań do analizy danych obserwacyjnych. W rzeczywistości, błyski helowe być może już były obserwowane. W przypadku kilku gwiazd obserwowanych przez CoRoT i Keplera zaobserwowano niewyjaśnione oscylacje, które zdają się przypominać te przewidywane dla błysków helowych. Obserwatorium TESS będzie kluczowe dla dalszych badań, bowiem obserwuje całe mnóstwo gwiazd, w tym kilka, w których tego typu pulsacje powinny dać się zaobserwować. Obserwacje te pozwolą nam dokładnie przetestować modele, a tym samym zbadać co w przyszłości czeka także nasze Słońce.

Źródło: University of California – Santa Barbara

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.