Ομάδα αστρονόμων ερεύνησε το εσωτερικό άστρων βρίσκοντας ότι είναι ισχυρά μαγνητισμένο

Οι αστρονόμοι εξερεύνησαν για πρώτη φορά τα μαγνητικά πεδία στις μυστηριώδεις εσωτερικές περιοχές των άστρων, ανακαλύπτοντας ότι είναι ισχυρά μαγνητισμένες. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται αστεροσεισμολογία, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να υπολογίσουν τις εντάσεις του μαγνητικού πεδίου στις τροφοδοτούμενες με σύντηξη καρδιές δεκάδων κόκκινων γιγάντων, άστρων που είναι ηλικιωμένες εκδόσεις του ήλιου μας.

«Με τον ίδιο τρόπο που η ιατρική υπερήχων χρησιμοποιεί τα ηχητικά κύματα για να απεικονίσει το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, η αστεροσεισμολογία χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα που παράγονται από τις αναταράξεις στην επιφάνεια των άστρων για να ερευνήσει τις εσωτερικές τους ιδιότητες», λέει ο Jim Fuller μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Caltech και ένας από τους συντελεστές της νέας μελέτης με λεπτομέρειες της έρευνας.

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο τεύχοςτου Science της 23ης Οκτωβρίου, θα βοηθήσουν τους αστρονόμους να κατανοήσουν καλύτερα τη ζωή και το θάνατο των άστρων. Τα μαγνητικά πεδία πιθανά καθορίζουν τους εσωτερικούς ρυθμούς περιστροφής των άστρων. Αυτοί οι ρυθμοί έχουν δραματικές επιπτώσεις στο πώς εξελίσσονται τα αστέρια.

Μέχρι τώρα, οι αστρονόμοι μπορούσαν να μελετήσουν τα μαγνητικά πεδία των άστρων μόνο στην επιφάνειά τους και έπρεπε να χρησιμοποιούν μοντέλα σε υπερυπολογιστή για να προσομοιώσουν τα πεδία κοντά στους πυρήνες, όπου συμβαίνει η διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης. «Δεν γνωρίζουμε ακόμα πώς μοιάζει το κέντρο του δικού μας ήλιου», λέει ο Fuller.

Οι κόκκινοι γίγαντες έχουν διαφορετική φυσική σύνθεση από τα λεγόμενα άστρα της κύριας ακολουθίας, όπως ο ήλιος μας, κάτι που τα καθιστά ιδανικά για την αστεροσεισμολογία (ένα πεδίο που γεννήθηκε στο Caltech το 1962, όταν ο αείμνηστος φυσικός και αστρονόμος Robert Leighton ανακάλυψε τις ηλιακές ταλαντώσεις χρησιμοποιώντας τα ηλιακά τηλεσκόπια στο όρος Wilson). Οι πυρήνες των άστρων κόκκινων γιγάντων είναι πολύ πυκνότεροι από αυτούς των νεότερων άστρων. Κατά συνέπεια, τα ηχητικά κύματα δεν αντανακλώνται από τους πυρήνες, όπως συμβαίνει στα άστρα όπως ο ήλιος μας. Αντί αυτού, τα ηχητικά κύματα μετατρέπονται σε μια άλλη κατηγορία κυμάτων, που ονομάζονται κύματα βαρύτητας.

«Αποδεικνύεται ότι τα κύματα βαρύτητας που βλέπουμε στους κόκκινους γίγαντες διαδίδονται με όλους τους τρόπους προς το κέντρο αυτών των άστρων», λέει ένας από τους συγγραφείς, ο Matteo Cantiello, ειδικός στην αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Kavli για τη θεωρητική φυσική (KITP), στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στη Santa Barbara.

Αυτή η μετατροπή από ηχητικά κύματα σε κύματα βαρύτητας έχει σημαντικές συνέπειες για τις μικροσκοπικές αλλαγές σχήματος ή τις ταλαντώσεις, που υφίστανται οι κόκκινοι γίγαντες. «Ανάλογα με το μέγεθός τους και την εσωτερική δομή, τα άστρα ταλαντώνονται σε διάφορα μοτίβα», λέει ο Fuller. Σε μία μορφή του μοτίβου ταλάντωσης, που είναι γνωστή ως τρόπος δίπολου, το ένα ημισφαίριο του άστρου γίνεται λαμπρότερο, ενώ το άλλο γίνεται σκοτεινότερο. Οι αστρονόμοι παρατηρούν αυτές τις ταλαντώσεις σε ένα άστρο μετρώντας πώς μεταβάλλεται με το χρόνο το φως του.

Μαγνητικό Φαινόμενο Θερμοκηπίου στο εσωτερικό κόκκινου γίγαντα. Σχηματική αναπαράσταση. (Fuller & Cantiello et al. 2015)

Όταν είναι παρόντα τα ισχυρά μαγνητικά πεδία στον πυρήνα του άστρου, τα πεδία μπορούν να διαταράξουν τη διάδοση των κυμάτων βαρύτητας, κάνοντας κάποια από τα κύματα να χάνουν ενέργεια και έτσι να παγιδεύονται μέσα στον πυρήνα. Ο Fuller και οι άλλοι συγγραφείς της μελέτης επινόησαν τον όρο «μαγνητικό φαινόμενο θερμοκηπίου» για να περιγράψουν το φαινόμενο αυτό, επειδή λειτουργεί παρόμοια με το φαινόμενο του θερμοκηπίου στη Γη, κατά το οποίο τα αέρια του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα βοηθούν να παγιδευτεί η θερμότητα από τον ήλιο. Η παγίδευση των κυμάτων βαρύτητας στο εσωτερικό ενός κόκκινου γίγαντα οδηγεί ένα μέρος της ενέργειας της ταλάντωσης του άστρου να χάνεται και το αποτέλεσμα είναι πιο αδύναμο από το αναμενόμενο από μια ταλάντωση δίπολου.

Το 2013, το διαστημικό τηλεσκόπιο Κέπλερ, της NASA, το οποίο μπορεί να μετρήσει διακυμάνσεις της αστρικής φωτεινότητας με απίστευτα υψηλή ακρίβεια, ανίχνευσε σε αρκετούς κόκκινους γίγαντες, αποσβενόμενες ταλαντώσεις τύπου δίπολου. Ο Dennis Stello, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Sydney, έθεσε τα δεδομένα του Kepler υπόψη των Fuller και Cantiello. Εργαζόμενοι σε συνεργασία με τον διευθυντή του KITP, Lars Bildsten και τον Rafael Garcia της Επιτροπής Εναλλακτικών Ενεργειών και Ατομικής Ενέργειας της Γαλλίας, οι επιστήμονες έδειξαν ότι το μαγνητικό φαινόμενο θερμοκηπίου ήταν η πιο πιθανή εξήγηση για τις ταλαντώσεις που παρατηρήθηκαν στους κόκκινους γίγαντες. Οι υπολογισμοί τους αποκάλυψαν ότι τα εσωτερικά μαγνητικά πεδία των κόκκινων γιγάντων ήταν 10 εκατομμύρια φορές ισχυρότερα από το μαγνητικό πεδίο της Γης.

«Αυτό είναι συναρπαστικό, καθώς τα εσωτερικά μαγνητικά πεδία διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη και την τελική μοίρα των άστρων», λέει ο καθηγητής Θεωρητικής Αστροφυσικής του Sterl Phinney, σύμβουλος του Caltech για την αστρονομία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Μια καλύτερη κατανόηση των εσωτερικών μαγνητικών πεδίων των άστρων θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει σε μια συζήτηση σχετικά με την προέλευση των ισχυρών μαγνητικών πεδίων στις επιφάνειες ορισμένων άστρων νετρονίων και λευκών νάνων, δύο κατηγορίες αστρικών πτωμάτων που σχηματίζονται όταν πεθαίνουν τα άστρα.

«Τα μαγνητικά πεδία που βρήκαν στους πυρήνες των κόκκινων γιγάντων είναι συγκρίσιμα με εκείνα των έντονα μαγνητισμένων λευκών νάνων», λέει ο Phinney. «Το γεγονός ότι μόνο ορισμένοι από τους κόκκινους γίγαντες δείχνουν καταστολή δίπολου, που δείχνει ισχυρά πεδία πυρήνα, μπορεί να σχετίζεται καλά με το γιατί μόνο μερικά άστρα αφήνουν πίσω τους, μετά το θάνατό τους, υπολείμματα με ισχυρά μαγνητικά πεδία».

Η τεχνική αστεροσεισμολογίας την οποία χρησιμοποίησε η ομάδα για να διερευνήσει τους κόκκινους γίγαντες πιθανώς δεν θα λειτουργήσει με τον ήλιο μας. «Ωστόσο», λέει ο Fuller, «οι αστρικές ταλαντώσεις είναι ο καλύτερος ανιχνευτή μας του εσωτερικού των άστρων, έτσι είναι πιθανές περισσότερες εκπλήξεις».

Πηγή: California Institute of Technology

Περισσότερα στη δημοσίευση: Asteroseismology Can Reveal Strong Internal Magnetic Fields in Red Giant Stars, Science 23 October 2015: Vol. 350 no. 6259 pp. 423-426