Моделирование звезды с массой 3 солнечных показывает центральное конвективное ядро и волны, которые оно генерирует в остальной части звезды. Предоставлено: Филипп Эдельманн.
Астрономы обычно называют массивные звезды химическими фабриками Вселенной. Обычно они заканчивают свою жизнь захватывающими сверхновыми звездами, событиями, которые создают многие элементы периодической таблицы. То, как элементарные ядра смешиваются в этих огромных звездах, оказывает большое влияние на наше понимание их эволюции до их взрыва. Это также представляет наибольшую неопределенность для ученых, изучающих их структуру и эволюцию.
Группа астрономов во главе с Мэй Гаде Педерсен, докторантом Института теоретической физики Кавли Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, теперь измерила внутреннее перемешивание в ансамбле этих звезд, используя наблюдения волн из их глубоких недр. Хотя ученые использовали эту технику и раньше, в данной статье впервые это было сделано для такой большой группы звезд одновременно. Результаты, опубликованные в Астрономия природы, показывают, что внутреннее перемешивание очень разнообразно и не зависит от массы или возраста звезды.
Звезды проводят большую часть своей жизни, превращая водород в гелий глубоко в своих ядрах. Однако синтез особенно массивных звезд настолько сконцентрирован в центре, что приводит к турбулентному конвективному ядру, подобному котлу с кипящей водой. Конвекция, наряду с другими процессами, такими как вращение, эффективно удаляет гелиевую золу из активной зоны и заменяет ее водородом из оболочки. Это позволяет звездам жить намного дольше, чем предполагалось.
Астрономы считают, что это смешение возникает из-за различных физических явлений, таких как внутреннее вращение и внутренние сейсмические волны в плазма возбуждается конвектирующим ядром. Однако теория осталась в значительной степени независимой от наблюдений, поскольку это происходит так глубоко внутри звезды. Тем не менее, существует косвенный метод вглядывания в звезды: астросейсмология, изучение и интерпретация звездных колебаний. Этот метод имеет параллели с тем, как сейсмологи используют землетрясения для исследования недр Земли.
Смешивание уносит расплавленный материал и заменяет его большим количеством водородного топлива из внешних слоев звезды. Предоставлено: Мэй Гаде Педерсен.
«Изучение звездных колебаний бросает вызов нашему пониманию звездной структуры и эволюции», - сказал Педерсен. «Они позволяют нам напрямую исследовать звездные недра и сравнивать их с предсказаниями наших звездных моделей».
Педерсен и ее сотрудники из KU Leuven, University of Hasselt и University of Newcastle смогли получить внутреннее смешение для ансамбля таких звезд с помощью астросейсмологии. Такой подвиг был достигнут впервые, и это стало возможным только благодаря новой выборке из 26 медленно пульсирующих звезд B-типа с идентифицированными звездными колебаниями от НАСАМиссия Кеплера.
Медленно пульсирующие звезды B-типа в три-восемь раз массивнее Солнца. Они расширяются и сжимаются в масштабе времени от 12 часов до 5 дней и могут изменять яркость до 5%. Педерсен объяснил, что их режимы колебаний особенно чувствительны к условиям вблизи активной зоны.
«Внутреннее перемешивание внутри звезд теперь было измерено наблюдательными методами и оказалось разнообразным в нашей выборке, при этом некоторые звезды почти не перемешиваются, в то время как другие показывают уровни в миллион раз выше», - сказал Педерсен. Оказывается, разнообразие не связано с массой или возрастом звезды. Скорее, на это в первую очередь влияет внутреннее вращение, хотя это не единственный фактор.
«Эти астросейсмические результаты наконец позволили астрономам улучшить теорию внутреннего смешения массивных звезд, которая до сих пор не откалибрована наблюдениями, происходящими прямо из их глубоких недр», - добавила она.
Точность, с которой астрономы могут измерить звездные колебания, напрямую зависит от того, как долго звезда наблюдается. Увеличение времени с одной ночи до одного года приводит к увеличению точности измерения частот колебаний в тысячу раз.
«Мэй и ее сотрудники действительно продемонстрировали ценность астросейсмических наблюдений как исследования глубоких недр звезд новым и глубоким способом», - сказал директор KITP Ларс Бильдстен, профессор теоретической физики Глюка. «Я очень рад видеть, что она найдет дальше».
Наилучшие данные, доступные в настоящее время для этого, получены с космической миссии Kepler, которая наблюдала один и тот же участок неба в течение четырех непрерывных лет. Медленно пульсирующие звезды B-типа были самыми массивными пульсирующими звездами, которые наблюдались в телескоп. Хотя большинство из них слишком малы, чтобы стать сверхновыми, они имеют ту же внутреннюю структуру, что и более массивные звездные химические фабрики. Педерсен надеется, что идеи, полученные в результате изучения звезд типа B, прольют свет на внутреннюю работу их коллег с более высокой массой, типа O.
Она планирует использовать данные спутника NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) для изучения групп колеблющихся звезд большой массы в ассоциациях OB. Эти группы включают от 10 до более чем 100 массивных звезд от 3 до 120 солнечных масс. По ее словам, звезды в ассоциациях OB родились из одного молекулярного облака и имеют одинаковый возраст. Большая выборка звезд и ограничения, связанные с их общим возрастом, предоставляют новые захватывающие возможности для изучения свойств внутреннего перемешивания звезд большой массы.
Помимо раскрытия процессов, скрытых внутри звезд, исследования звездных колебаний могут также предоставить информацию о других свойствах звезд.
«Звездные колебания не только позволяют нам изучать внутреннее перемешивание и вращение звезд, но также определяют другие звездные свойства, такие как масса и возраст», - пояснил Педерсен. «Хотя оба эти параметра являются одними из самых фундаментальных звездных параметров, они также являются одними из самых трудных для измерения».
Ссылка: «Внутреннее смешение вращающихся звезд, полученное из дипольных гравитационных мод» Мэй Г. Педерсен, Конни Аэртс, Петер И. Папикс, Матиас Мишильсен, Сара Гебруерс, Тамара М. Роджерс, Герт Моленбергс, Симен Бурссенс, Стефано Гарсия и Доминик М. Боуман, 10 мая 2021 г., Астрономия природы.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01351-x
