Mind the Gap: Gaia Mission разкрива вътрешността на звездите

Използвайки "Big Data", събрани от спътника Gaia и пуснати в началото на тази година, астрономите откриха хълцане в звездни светимости, което може да сочи ново разбиране на звездната структура.

Диаграмата Hertzsprung-Russell, изградена от данните на Gaia за повече от 4 милиона звезди в рамките на 5000 светлинни години, очертава цветовете на звездите спрямо техните светимости. Една звезда живее върха на живота си в основната последователност (с етикет). Звездите с по-ниска маса завършват живота си като бели джуджета, докато по-масивните звезди се развиват като гиганти, преди да отидат свръхнови.
Gaia DPAC / Carine Babusiaux (Институт по планетология и астрофизика в Гренобъл, Обсерватория в Париж)

Ако някога сте приемали Astronomy 101, може би си спомняте схемата на Hertzsprung-Russell (или все още може да я татуирате върху ръката си). HR схемата, както е общоизвестно, е основно еднозвезден магазин: На ​​базата на цвета и яркостта на звездата диаграмата разкрива нейния размер и температура, в какъв етап от еволюцията е, нейната вътрешна структура и много други. Първо пусната на хартия през 1900 г., тази проста диаграма все още разкрива звездни тайни повече от век по-късно.

След пускането на втория набор от данни на спътника Gaia, с високо прецизни измервания на разстояния до изумителните 1, 7 милиарда звезди, астрономите в колаборацията Gaia незабавно събраха множество версии на HR схемата. Чистата маса от звезди рисува ярка „голяма информация“ картина на звездна еволюция. Звездите прекарват по-голямата част от живота си в смесване на водород в хелий в така наречената основна последователност преди стареене върху клоните на червените гиганти, където по-масивните звезди в крайна сметка започват бум, или белите джуджета, където по-малко масивните звезди постепенно избледняват в неизвестност.

Сега екип от астрономи, ръководен от Вей-Чун Джао (Джорджия Държавен университет) обяви откриването на тясна, но отличителна пропаст в диаграмата в писма от астрофизичен журнал от 1 юли ( свободен предпечат се предлага тук). Пропастта е толкова отчетлива, че може да изглежда като инструментален артефакт, но Jao и колегите виждат една и съща пропаст в звезди с инфрачервени данни от 2MASS, така че определено е истинска. Докато по-голямата част от основната последователност преминава плавно от един тип звезда към следващия, там е малко мъничко хълцане при прехода сред най-готините, слаби червени джуджета. Известни като M звезди, това са най-малките звезди с най-ниско осветеност в основната последователност на свързване с водород ( Me s от Oh Be a Fine Guy / Gal Kiss Me).

Този сюжет увеличава HR диаграмата, създадена с данни от Gaia (където M G представлява светимост на звездата, а M BP M RP представлява цвят на звездата). Пропастта възниква при тесен диапазон на светимостта, които съответстват на червени звезди джуджета с приблизително една трета от масата на Слънцето.
Jao et al. The Astrophysical Journal, 1 юли 2018 г.

Най-малките М звезди са уникални по това, че имат напълно конвективен интериор, което означава, че целият им вътрешност е кипяща маса от плазма. Най-големите М звезди са по-скоро като Слънцето, където конвективна обвивка заобикаля радиационна зона, по-плътна зона, където се потискат движенията на кипене. Енергията пътува по-бавно в този сгъстен интериор може да отнеме от няколко хиляди до няколко милиона години, за да избяга един фотон от слънцето.

Джуджетата с ниска маса M са напълно конвективни, което означава, че движенията на кипене смесват вътрешностите на звездата. Над определена маса обаче ядрото постига достатъчно високо налягане, че движенията на кипене вече не са възможни и фотоните вместо това се предават по-бавно в радиационна зона . Реакциите на синтез се проявяват по-ефективно в сърцевините, които могат по-добре да смесват продуктите си на сливане.
Wikimedia Commons

Преходът между тези две вътрешни структури се случва, когато звездите на червените джуджета имат около една трета от масата на слънцето. Пропастта, която откриха Яо и колегите, е точно такава маса. Въпросът е защо? В крайна сметка повечето теоретични модели на звездна структура показват плавен преход тук с други думи, трябва да има точно толкова звезди с напълно конвективна структура и 0, 34 слънчеви маси, колкото има звезди с излъчващо ядро ​​и 0, 35 слънчеви маси,

Малко след публикуването на изследването Jao s в Astrophysical Journal от 1 юли, в архива за предпечат на астрономията се появи друга книга, ръководена от Джеймс Макдоналд и Джон Гизис (и двамата в Университета на Делауеър). Пропастта, твърдят тези автори, всъщност е характеристика на съществуващата теория. Точно това е, че е необходимо да се изследва много тесен масов диапазон. Гая им показа къде да търсят.

Разликата, обясняват те, възниква, защото вътрешната структура влияе върху ефективността на източника на захранване на звездите. Движенията на кипене в сърцевините на по-малки звезди с по-малка маса помагат да се смесват междинните продукти на синтезните реакции, което позволява на звездата да плави водород по-ефективно и стабилно да повишава светимостта си. По-масивните червени джуджета са по-малко ефективни термоядрени реактори и остават относително постоянни в светимостта. Тъй като една структура замества другата, разликата създава недостиг на звезди с определена яркост.

Все пак въпросите остават. Невероятната подробност в данните на Gaia показва, че в пропастта се появяват много малко звезди - защо са там? Също така, разликата изглежда по-широка за звезди, по-малко замърсени от по-тежки елементи - какво става за тези „по-чисти“ звезди, които влияят на тяхната звездна структура? Век след като астрономите за първи път започнаха да разбират звездите по систематичен начин, звездите продължават да се оказват по-сложни, отколкото знаехме.