Вчені з’ясували, що відбувається всередині великих зірок

Астрономи зазвичай називають масивні зірки хімічними фабриками Всесвіту. Вони, як правило, закінчують своє життя у вражаючих наднових — подіях, у результаті яких утворюється багато елементів періодичної таблиці. Те, як в цих величезних зірках змішуються ядра елементів, має великий вплив на наше розуміння їх еволюції до їх вибуху.

Це також являє собою найбільшу невизначеність для вчених, що вивчають їх структуру та еволюцію, розповідають в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі.

Група астрономів на чолі з Мей Гаде Педерсен, постдокторанта Інституту теоретичної фізики імені Кавлі (KITP) у вказаному університеті, виміряла внутрішнє змішування в ансамблі таких зірок, використовуючи спостереження за хвилями із їхніх глибоких надр. Хоча вчені і раніше застосовували цей метод, у даній роботі це було вперше зроблено одразу для такої великої групи зірок. Результати дослідження, опубліковані в Nature Astronomy, показують, що внутрішнє змішування дуже різноманітне, без чіткої залежності від маси або віку зірки.

Більшу частину свого життя зірки проводять, переплавляючи водень на гелій глибоко в своїх ядрах. Однак процес синтезу в особливо масивних зірках настільки зосереджений у центрі, що призводить до утворення турбулентного конвективного ядра, як у каструлі з окропом. Конвекція, разом з іншими процесами, такими як обертання, ефективно видаляє попіл гелію (*) із ядра та замінює його воднем із оболонки. Це дозволяє зіркам жити набагато довше, ніж передбачалося.

Астрономи вважають, що це змішування виникає внаслідок різних фізичних явищ, таких як внутрішнє обертання та внутрішні сейсмічні хвилі в плазмі, що збуджуються конвективним ядром. Однак дана теорія досі не підтверджена спостереженнями, оскільки це відбувається так глибоко всередині зорі. Тим не менш, існує непрямий метод заглядання в зірки: астеросейсмологія — вивчення та інтерпретація зоряних коливань. Ця техніка має паралелі з тим, як сейсмологи використовують землетруси для зондування глибин Землі.

"Дослідження зоряних коливань кидає виклик нашому розумінню зоряної структури та еволюції", - сказала Педерсен. "Вони дозволяють нам безпосередньо досліджувати внутрішню структуру зірок та порівнювати її з прогнозами наших зоряних моделей".

Педерсен та її колеги з Левенського католицького університету, Університету Хассельта та Університету Ньюкасла змогли визначити внутрішнє змішування для ансамблю таких зірок за допомогою астеросейсмології. Це перший подібній досвід, який став можливим лише завдяки новій вибірці з 26 повільно пульсуючих зірок типу В з ідентифікованими зоряними коливаннями, отриманій від місії НАСА “Кеплер”.

Повільно пульсуючі зорі типу В від трьох до восьми разів масивніші за Сонце. Вони розширюються і стискаються у часових проміжках від 12 годин до 5 днів і можуть змінювати яскравість до 5%. Їхні режими коливань особливо чутливі до умов поблизу ядра, пояснила Педерсен.

"Внутрішнє змішування всередині зірок тепер виміряно спостережно і виявилося, що у нашій вибірці воно різноманітне: у деяких зірок змішування майже відсутнє, тоді як у інших воно у мільйон разів вище", - каже Педерсен. Як виявилося, різноманітність не пов’язана з масою або віком зірки. Навпаки, на це в першу чергу впливає внутрішнє обертання, хоча воно не єдиний чинник.

"Ці астеросейсмічні результати, нарешті, дозволять астрономам вдосконалити теорію внутрішнього змішування у масивних зірках, яка до цих пір залишалася не каліброваною спостереженнями, що надходять прямо з їх глибоких надр", - додала вона.

Точність, з якою астрономи можуть виміряти зоряні коливання, безпосередньо залежить від тривалості спостереження за зіркою. Збільшення часу з однієї ночі до одного року призводить до тисячократного збільшення точності вимірювань частот коливань.

"Мей та її колеги дійсно продемонстрували значення астеросейсмічних спостережень у зондуванні глибоких надр зорі новим і змістовним способом", - сказав директор KITP Ларс Більдстен, професор теоретичної фізики Глюка. "Я з нетерпінням чекаю, що вона знайде далі".

Найкращі дані, доступні на даний час для цього, отримані від космічної місії “Кеплер”, яка спостерігала за однією й тією ж ділянкою неба безперервно протягом чотирьох років. Повільно пульсуючі зорі типу В мали найбільшу масу серед пульсьуючих зірок, які спостерігав телескоп. Хоча більшість із них трохи замалі, щоб стати надновими, вони мають однакову внутрішню структуру, як і більш масивні зоряні хімічні фабрики. Педерсен сподівається, що результати вивчення зірок типу В проллє світло на внутрішню структуру їх більш масивних аналогів, тип О.

Вона планує використовувати дані Супутника спостереження за транзитами екзопланет (TESS) від NASA для вивчення в асоціаціях OB груп зірок великої маси, що осцилюють. До цих груп входить від 10 до понад 100 масивних зірок з масою від 3 до 120 сонячних. Зірки в асоціаціях OB народжуються з однієї і тієї ж молекулярної хмари і мають однаковий вік, пояснила вона. Велика вибірка зірок та обмеження щодо їх загального віку відкриває нові можливості для вивчення властивостей внутрішнього змішування зірок великої маси.

Окрім розкриття процесів, прихованих усередині зірок, дослідження зоряних коливань може також надати інформацію про інші властивості зірок.

"Коливання зірок не тільки дозволяють вивчати внутрішнє змішування та обертання зірок, але й визначати інші зоряні властивості, такі як маса та вік", - пояснює Педерсен. "Хоча це два самих фундаментальних із зоряних параметрів, вони також є одними з найважчих для вимірювання".

* Попіл гелію (helium ash). Як вказують в EUROfusion, назву попіл отримали енергійні альфа-частинки або ядра гелію, що утворюються в результаті реакцій синтезу в дейтерій-тритієвій плазмі, хоча гелій не має фізичної схожості з попелом від вогню. На більш образному рівні, альфа-частинки називаються попелом тому, що, як тільки вони поділилися свою енергію з рештою плазми, вони не мають подальшого застосування; їх видалення та заміна дейтерій-тритієвим паливом необхідне для запобігання розрідження плазми.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.