Mind the Gap: Gaia Mission odhaluje vnitřní strany hvězd

Pomocí „velkých dat“ shromážděných satelitem Gaia a uvolněných počátkem tohoto roku astronomové objevili škytání hvězdných jasů, které mohou poukazovat na nové chápání hvězdné struktury.

Hertzsprung-Russellův diagram, zkonstruovaný z dat Gaia na více než 4 milionech hvězd během 5 000 světelných let, vykresluje barvy hvězd proti jejich jasům. Hvězda žije v hlavní posloupnosti svého života (označeno). Hvězdy nižší hmotnosti končí svůj život jako bílí trpaslíci, zatímco mohutnější hvězdy se vyvinou jako obři, než půjdou na supernovu.
Gaia DPAC / Carine Babusiaux (Grenobleův institut planetologie a astrofyziky, Observatoř v Paříži)

Pokud jste si někdy vzali Astronomii 101, možná si vzpomenete na Hertzsprung-Russellův diagram (nebo si jej stále můžete nechat vytetovat na paži). HR diagram, jak je obecně známo, je v zásadě hvězdným obchodem na jednom místě: Na základě barvy a jasu hvězdy odhaluje její velikost a teplota, v jaké fázi vývoje je, její vnitřní struktura a mnohem více. Tento jednoduchý diagram, který byl poprvé položen na papír v roce 1900, stále odhaluje hvězdná tajemství o více než století později.

Po vydání druhého datového souboru satelitu Gaia, s vysoce přesnými měřeními vzdálenosti k úžasným 1, 7 miliardám hvězd, astronomové ve spolupráci Gaia okamžitě sestavili několik verzí HR diagramu. Čistá hmota hvězd vykresluje živý obraz „hvězdných dat“ hvězdného vývoje. Hvězdy tráví většinu svého života spojováním vodíku do hélia v takzvané hlavní posloupnosti před stárnutím na červené obří větve, kde se mohutnější hvězdy nakonec rozkvétají, nebo na bílou trpasličí sekvenci, kde méně masivní hvězdy postupně mizí do temnoty.

Tým astronomů vedený Wei-Chun Jao (Gruzínská státní univerzita) nyní oznámil objev úzké, ale výrazné mezery v diagramu v dopisech z 1. astrofyzikálního deníku ( zdarma předtisk je k dispozici zde). Mezera je tak výrazná, že by mohla vypadat jako instrumentální artefakt, ale Jao a její kolegové vidí stejnou mezeru ve hvězdách s infračervenými daty z 2MASS, takže je to určitě skutečné. Zatímco většina hlavních sekvencí přechází plynule z jednoho typu hvězdy na další, při přechodu mezi nejchladnějšími, nejslabšími červenými trpaslíky existuje malá škytavka. Známé jako hvězdy M, jedná se o nejmenší hvězdy s nejnižší jasností v hlavní sekvenci spojující vodík (theMe s z Oh Be a Fine Guy / Gal Kiss Me).

Tento graf se přiblíží na HR diagramu vytvořeném s údaji Gaia (kde MG představuje jas hvězdy a M BP M RP představuje barvu hvězdy). Mezera se vyskytuje v úzkém rozmezí jasů, které odpovídají červeným trpaslíkům s přibližně třetinou hmoty Slunce.
Jao et al. The Astrofyzical Journal, 1. července 2018

Nejmenší hvězdy M jsou jedinečné v tom, že mají plně konvekční interiér, což znamená, že jejich celé vnitřky jsou vroucí hmotou plazmy. Největší hvězdy M jsou spíš jako Slunce, kde konvekční obálka obklopuje radiační zónu, hustší oblast, kde jsou potlačeny vroucí pohyby. Energie v tomto stlačeném interiéru cestuje pomaleji fotonu může uniknout zevnitř Slunce kdekoli od několika tisíc do několika milionů let.

Trpaslíci s nízkou hmotností M jsou zcela konvektivní, což znamená, že vroucí pohyby mísí vnitřky hvězdy. Nad určitou hmotou však jádro dosahuje dostatečně vysokého tlaku, že vroucí pohyby již nejsou možné a fotony jsou místo toho přenášeny pomaleji v radiační zóně . Reakce fúzí se vyskytují efektivněji v jádrech, která mohou lépe smíchat jejich fúzní produkty.
Wikimedia Commons

Přechod mezi těmito dvěma vnitřními strukturami nastává, když červené trpasličí hvězdy mají asi třetinu hmotnosti Slunce. Mezera, kterou Jao a její kolegové našli, je přesně v té hmotnosti. Otázka zní, proč? Koneckonců, většina teoretických modelů hvězdné struktury zde vykazuje plynulý přechod - jinými slovy, mělo by být stejně mnoho hvězd s plně konvekční strukturou a 0, 34 solárních hmot, jako jsou hvězdy s radiačním jádrem a 0, 35 solárních hmot .

Krátce po zveřejnění Jaoovy studie v 1. astrofyzikálním časopise se v archivu předtisků astronomie objevil další příspěvek vedený Jamesem MacDonaldem a Johnem Gizisem (oba na University of Delaware). Tato mezera, jak tvrdí tito autoři, je ve skutečnosti rysem existující teorie. Je to jen to zjištění, že to vyžaduje zkoumání velmi úzkého rozsahu hmotnosti. Gaia jim ukázala, kam hledat.

Vysvětlují to mezery, protože vnitřní struktura ovlivňuje účinnost zdroje energie hvězd. Vařící pohyby v jádrech menších hvězd s nižší hmotností pomáhají smíchat meziprodukty fúzních reakcí, což umožňuje hvězdě účinněji fúzovat vodík a stabilně zvyšovat jeho jas. Masivnější červení trpaslíci jsou méně efektivní fúzní reaktory a jejich relativní svítivost zůstává relativně konstantní. Jak jedna struktura nahrazuje druhou, rozdíl vytváří nedostatek hvězd určitého jasu.

Stále zůstávají otázky. Neuvěřitelné podrobnosti v údajích Gaia ukazují, že v mezeře se objevuje velmi málo hvězd - proč jsou tam? Také se zdá, že mezera je větší u hvězd méně znečištěných těžšími prvky - co je to s těmito „čistějšími“ hvězdami, které ovlivňují jejich hvězdnou strukturu? O sto let poté, co astronomové poprvé začali systematicky chápat hvězdy, se hvězdy stále dokazují komplikovanější, než jsme věděli.