Симуляція зірки з 3-масою Сонця показує центральне, конвективне ядро та хвилі, які воно створює в решті внутрішніх частин зірки. Авторство: Філіп Едельманн
Астрономи зазвичай називають масивні зірки хімічними фабриками Всесвіту. Зазвичай вони закінчують своє життя вражаючими надновими, подіями, які підробляють багато елементів періодичної таблиці. Те, як ядра елементів змішуються в цих величезних зірках, має великий вплив на наше розуміння їх еволюції до вибуху. Це також є найбільшою невизначеністю для вчених, які вивчають їх структуру та еволюцію.
Команда астрономів на чолі з Меєм Гаде Педерсеном, докторантом Інституту теоретичної фізики Кавлі Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, тепер виміряла внутрішнє змішування в ансамблі цих зірок, використовуючи спостереження хвиль з їх глибини. Хоча вчені використовували цю техніку раніше, ця стаття знаменує собою перший раз, коли це було досягнуто для такої великої групи зірок одночасно. Результати, опубліковані в Природа астрономії, показують, що внутрішнє змішування дуже різноманітне, без чіткої залежності від маси або віку зірки.
Зірки проводять більшу частину свого життя, сплавляючи водень у гелій глибоко в своєму ядрі. Однак синтез особливо масивних зірок настільки зосереджений в центрі, що призводить до турбулентного конвективного ядра, схожого на каструлю з киплячою водою. Конвекція, поряд з іншими процесами, такими як обертання, ефективно видаляє гелієвий попіл з ядра і замінює його воднем з оболонки. Це дозволяє зіркам жити набагато довше, ніж передбачалося в іншому випадку.
Астрономи вважають, що це змішування виникає внаслідок різних фізичних явищ, таких як внутрішнє обертання та внутрішні сейсмічні хвилі в плазма збуджується конвекційним ядром. Однак ця теорія в основному не обмежена спостереженнями, оскільки вона відбувається дуже глибоко всередині зірки. Тим не менш, існує непрямий метод заглядання в зірки: астеросейсмологія, вивчення та інтерпретація зоряних коливань. Методика має паралелі з тим, як сейсмологи використовують землетруси для дослідження надр Землі.
Змішування транспортує розплавлений матеріал і замінює його більшою кількістю водневого палива із зовнішніх шарів зірки. Авторство: Мей Гаде Педерсен
«Дослідження зоряних коливань кидає виклик нашому розумінню зоряної структури та еволюції», – сказав Педерсен. «Вони дозволяють нам безпосередньо досліджувати зоряні інтер’єри та робити порівняння з прогнозами наших зоряних моделей».
Педерсен та її співробітники з KU Leuven, Університету Хасселта та Університету Ньюкасла змогли вивести внутрішнє змішування для ансамблю таких зірок за допомогою астеросейсмології. Такий подвиг був здійснений вперше, і він став можливим лише завдяки новому зразку з 26 повільно пульсуючих зірок типу B з ідентифікованими зоряними коливаннями від NASAМісія Кеплера.
Повільно пульсуючі зірки типу B у три-вісім разів масивніші за Сонце. Вони розширюються і стискаються на часових масштабах порядку від 12 годин до 5 днів, а яскравість може змінюватися до 5%. Їхні режими коливань особливо чутливі до умов поблизу ядра, пояснив Педерсен.
«Внутрішнє змішування всередині зірок було виміряно спостережними методами, і в нашій вибірці виявляється різноманітним: деякі зірки майже не змішуються, а інші виявляють рівні в мільйон разів вищі», — сказав Педерсен. Виявляється, різноманітність не пов’язана з масою чи віком зірки. Швидше, на це в першу чергу впливає внутрішня ротація, хоча це не єдиний фактор.
«Ці астеросейсмічні результати, нарешті, дозволяють астрономам удосконалити теорію внутрішнього змішування масивних зірок, яка досі залишалася некаліброваною за спостереженнями, що надходять прямо з їхніх глибин», — додала вона.
Точність, з якою астрономи можуть виміряти зоряні коливання, безпосередньо залежить від того, як довго спостерігається зірка. Збільшення часу від однієї ночі до одного року призводить до тисячократного збільшення точності вимірювання частоти коливань.
«Мей та її співробітники дійсно показали цінність астеросейсмічних спостережень як зондування глибин зірок по-новому та глибоко», – сказав директор KITP Ларс Білдстен, професор теоретичної фізики Глюка. «Я радий побачити, що вона знайде далі».
Найкращі дані, доступні на даний момент для цього, отримані від космічної місії «Кеплер», яка спостерігала ту саму ділянку неба протягом чотирьох років безперервно. Повільно пульсуючі зірки B-типу були найбільшою масою пульсуючих зірок, які спостерігав телескоп. Хоча більшість із них замалі, щоб стати надновими, вони мають таку ж внутрішню структуру, що й більш масивні зіркові хімічні фабрики. Педерсен сподівається, що уявлення, отримані під час вивчення зірок типу B, проллять світло на внутрішню роботу їх аналогів з більш високою масою, типу O.
Вона планує використовувати дані з супутника дослідження транзитних екзопланет NASA (TESS) для вивчення груп коливальних зірок великої маси в асоціаціях ОВ. Ці групи включають від 10 до більш ніж 100 масивних зірок від 3 до 120 мас Сонця. Зірки в асоціаціях OB народжуються з однієї молекулярної хмари і мають однаковий вік, пояснила вона. Велика вибірка зірок і обмеження їх загального віку надають нові захоплюючі можливості для вивчення властивостей внутрішнього змішування зірок великої маси.
На додаток до розкриття процесів, прихованих всередині зір, дослідження зоряних коливань також можуть дати інформацію про інші властивості зірок.
«Зоряні коливання не тільки дозволяють нам вивчати внутрішнє змішування та обертання зірок, але й визначати інші властивості зірок, такі як маса і вік», — пояснив Педерсен. «Хоча обидва ці два найбільш фундаментальні зоряні параметри, вони також є одними з найважчих для вимірювання».
Довідка: «Внутрішнє змішування обертових зірок, отримане з дипольних гравітаційних мод» Мей Г. Педерсен, Конні Ертс, Петер І. Папікс, Матіас Міхілсен, Сара Гебруерс, Тамара М. Роджерс, Ґерт Моленбергс, Сімен Бурссенс, Стефано М Гарсія та Домінік М. Гарсія Боумен, 10 травня 2021 р., Природа астрономії.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01351-x
