Наша планета обречена. Через несколько миллиардов лет Солнце исчерпает свое водородное топливо и превратится в красного гиганта — звезду настолько большую, что сожжет, почернеет и поглотит внутренние планеты.

Красные гиганты — плохая новость для планет, но хорошая новость для астрофизиков. Их сердца хранят ключи к пониманию целого ряда звездных тел, от неоперившихся протозвезд до белых карликов-зомби, потому что глубоко внутри них находится невидимая сила, которая может определить судьбу звезды: магнитное поле.

Магнитные поля вблизи поверхности звезд часто хорошо охарактеризованы, но то, что происходит в их ядрах, по большей части неизвестно. Это меняется, потому что красные гиганты уникально подходят для изучения магнетизма глубоко внутри звезды. Ученые делают это, используя звездотрясения — тонкие колебания на поверхности звезды — как портал в звездные недра.

«У красных гигантов есть эти колебания, которые позволяют очень чувствительно исследовать ядро», — сказал он. Тим Беддинг, астросейсмолог из Сиднейского университета, изучающий красные гиганты.

В прошлом году команда из Университета Тулузы расшифровала эти колебания и измерила магнитные поля внутри тройка красных гигантов. Ранее в этом году та же команда обнаруженные магнитные поля внутри еще 11 красных гигантов. В совокупности наблюдения показали, что сердца гигантов более загадочны, чем предполагалось.

Ближе к сердцу звезды магнитные поля играют решающую роль в химическом смешении внутри звезды, что, в свою очередь, влияет на ее эволюцию. Уточнив звездные модели и включив в них внутренний магнетизм, ученые смогут более точно рассчитать звездный возраст. Такие измерения могли бы помочь определить возраст потенциально пригодных для жизни далеких планет и определить временные рамки формирования галактик.

«Мы не включаем магнетизм в звездное моделирование», — сказал Лиза Багнет, астрофизик из Института науки и технологий Австрии, разработавший методы изучения магнитных полей внутри красных гигантов. «Это безумие, но его просто нет, потому что мы понятия не имеем, как он выглядит [или] насколько он силен».

Смотреть на солнце

Единственный способ исследовать сердце звезды — это астеросейсмология, изучение звездных колебаний.

Точно так же, как сейсмические волны, пронизывающие недра Земли, можно использовать для составления карты подземного ландшафта планеты, звездные колебания открывают окно во внутренности звезды. Звезды колеблются по мере того, как взбалтывается их плазма, создавая волны, которые несут информацию о внутреннем составе и вращении звезды. Багнет сравнивает этот процесс со звоном колокола — форма и размер колокола издают специфический звук, раскрывающий свойства самого колокола.

Для изучения дрожащих гигантов ученые используют данные НАСА по поиску планет. Кеплер телескоп, которая годами отслеживала яркость более 180,000 XNUMX звезд. Его чувствительность позволила астрофизикам обнаруживать мельчайшие изменения в звездном свете, связанные со звездными колебаниями, которые влияют как на радиус, так и на яркость звезды.

Но расшифровать звездные колебания сложно. Они бывают двух основных видов: моды акустического давления (p-моды), представляющие собой звуковые волны, которые проходят через внешние области звезды, и гравитационные моды (g-моды), которые имеют более низкую частоту и в основном ограничены ядром. . Для звезд, подобных нашему Солнцу, в наблюдаемых колебаниях преобладают p-моды; их g-моды, на которые влияют внутренние магнитные поля, слишком слабы для обнаружения и не могут достичь поверхности звезды.

В 2011 году астрофизик KU Leuven Пол Бек и его коллеги использовали данные Кеплера чтобы показать, что в красных гигантах p-моды и g-моды взаимодействуют и создают так называемую смешанную моду. Смешанные моды — это инструмент, который исследует сердце звезды — они позволяют астрономам видеть колебания g-моды — и их можно обнаружить только в красных гигантских звездах. Изучение смешанных мод показало, что ядра красных гигантов вращаются гораздо медленнее, чем газовая оболочка звезды, вопреки предсказаниям астрофизиков.

Это было неожиданностью и возможным признаком того, что в этих моделях не хватало чего-то важного: магнетизма.

Звездная симметрия

В прошлом году, Ган Ли, астросейсмолог, ныне работающий в KU Leuven, начал копаться в гигантах Кеплера. Он искал смешанный сигнал, регистрирующий магнитное поле в ядре красного гиганта. «Удивительно, но я действительно обнаружил несколько случаев этого явления», — сказал он.

Как правило, смешанные колебания у красных гигантов происходят почти ритмично, создавая симметричный сигнал. Багнет и другие предсказанный что магнитные поля нарушат эту симметрию, но никто не мог сделать это хитрое наблюдение — до команды Ли.

Ли и его коллеги нашли гигантское трио, демонстрирующее предсказанную асимметрию, и рассчитали, что магнитное поле каждой звезды было вплоть до «В 2,000 раз сильнее обычного магнита на холодильник» — сильно, но соответствует прогнозам.

Однако один из трех красных гигантов удивил их: его смешанный сигнал был обратным. «Мы были немного озадачены, — сказал Себастьен Деувелс, автор исследования и астрофизик из Тулузы. Дехевелс считает, что этот результат предполагает, что магнитное поле звезды наклонено на бок, а это означает, что метод может определить ориентацию магнитных полей, что имеет решающее значение для обновления моделей звездной эволюции.

Во втором исследовании, проведенном Дехевелсом, использовалась смешанная астеросейсмология для обнаружения магнитных полей в ядрах 11 красных гигантов. Здесь команда исследовала, как эти поля влияют на свойства g-мод, что, как отметил Дехевелс, может дать возможность выйти за пределы красных гигантов и обнаружить магнитные поля в звездах, которые не демонстрируют этих редких асимметрий. Но сначала «мы хотим найти количество красных гигантов, которые демонстрируют такое поведение, и сравнить их с различными сценариями формирования этих магнитных полей», — сказал Дехевелс.

Не просто число

По словам ученых, использование звездотрясений для исследования недр звезд положило начало «ренессансу» в звездной эволюции. Конни Аэртс, астрофизик из KU Leuven.

Ренессанс имеет далеко идущие последствия для нашего понимания звезд и нашего места в космосе. Пока известен точный возраст только одной звезды — нашего Солнца, — который ученые определили на основе химического состава метеоритов, образовавшихся во время рождение солнечной системы. Для каждой другой звезды во Вселенной у нас есть только приблизительный возраст, основанный на вращении и массе. Добавьте внутренний магнетизм, и вы получите способ более точно оценивать возраст звезд.

И возраст — это не просто число, а инструмент, который может помочь ответить на некоторые из самых глубоких вопросов о космосе. Возьмем поиск внеземной жизни. С 1992 года ученые обнаружили более 5,400 экзопланет. Следующий шаг — охарактеризовать эти миры и определить, подходят ли они для жизни. Это включает в себя знание возраста планеты. «Единственный способ узнать его возраст — это узнать возраст звезды-хозяина», — сказал Дехевелс.

Еще одна область, требующая точного определения звездного возраста, — галактическая археология, изучение того, как устроены галактики. Млечный Путь, например, в ходе своей эволюции поглотил более мелкие галактики; астрофизики знают это, потому что содержание химического вещества в звездах ведет к их происхождению. Но у них нет точной временной шкалы, когда это произошло — предполагаемый звездный возраст недостаточно точен.

«Реальность такова, что иногда мы в 10 раз ошибаемся в звездном возрасте», — сказал Аэртс.

Изучение магнитных полей в звездных сердцах все еще находится в зачаточном состоянии; Есть много неизвестных, когда дело доходит до понимания того, как развиваются звезды. И для Аэртса в этом есть красота.

«Природа более изобретательна, чем мы», — сказала она.

Путешествие Джексона Райана для этой истории было частично профинансировано программой ISTA Science Journalist in Residence.