Информация о звездных землетрясениях служит теоретическим доказательством существования «окаменелого» магнетизма в звездах

Впервые новые теоретические модели связывают магнетизм на поверхности давно остывших звездных остатков (белых карликов) с недавними открытиями магнетизма в ядрах их умирающих прародителей (красных гигантов). Команда под руководством астрофизиков из Австрийского института науки и технологий (ISTA) утверждает, что эти магнитные поля могут возникать на ранних этапах жизни звезд и сохраняться на протяжении всей их эволюции, проявляясь в виде «окаменевших полей» на поверхности более старых остатков. Более глубокое понимание этих процессов также поможет лучше понять будущее нашего Солнца.

На протяжении тысячелетий человеческие цивилизации смотрели на звезды с любопытством и благоговением. С точки зрения человека, эти мерцающие точки на небе кажутся вечными. Однако, хотя звезды живут миллиарды лет, их эволюция также отмечена значительными событиями. Некоторые из них взрываются, превращаясь в космические фейерверки, называемые сверхновыми, а другие угасают и тихо остывают, оставляя после себя мертвый остаток — белый карлик.

Используя теоретическую модель, международная группа ученых под руководством аспиранта Лукаса Эйнрамхофа и доцента Лизы Бугнет из Института науки и технологий Австрии (ISTA) сопоставила независимые наблюдения, сделанные на разных этапах звездной эволюции. Впервые они связали данные о магнитных полях, достигающих поверхности старых белых карликов, с недавними открытиями магнетизма в ядрах красных гигантов — умирающих прародителей этих объектов.

В основе этой модели лежит идея о том, что магнитные поля, сформировавшиеся на ранних этапах жизни звезды, могут сохраняться на всех последующих этапах и миллиарды лет спустя проявляться на поверхности белых карликов в виде остаточных магнитных полей. Используя последние данные астросейсмологии — измерения звездных колебаний («звёздных землетрясений»), — команда учёных пересматривает теорию остаточных магнитных полей как возможное объяснение звёздного магнетизма.

Давно мертвые и вдруг магнитные?

Магнитные поля на поверхности белых карликов дают астрофизикам ценную информацию о прошлом этих остатков звезд.

«Магнитное поле звезды влияет на то, как она устроена внутри, а также на продолжительность ее жизни и эволюцию. Как правило, более старые белые карлики обладают более сильным магнитным полем, чем молодые», — говорит Эйнрамхоф. Поэтому, чтобы объяснить происхождение магнитных полей на поверхности старых белых карликов, которые умерли несколько миллионов лет назад, ученым приходится копаться в их прошлом.

На сегодняшний день несколько групп исследователей изучают магнитные поля звезд на разных этапах их эволюции. Команда ISTA стремится объединить эти исследования, чтобы прояснить процессы, лежащие в основе эволюции звезд и их остатков.

«Как группа теоретиков в области астрофизики, мы разрабатываем теории для объяснения наблюдаемых явлений», — подчеркивает Бугнет.

Звездные землетрясения позволяют обнаружить скрытые магнитные поля

С помощью астросейсмологии — изучения звездных землетрясений — астрономы лишь недавно получили возможность исследовать недра красных гигантов, прародителей белых карликов. Как и землетрясения, звездные землетрясения — это природные явления, которые позволяют ученым получать данные о внутреннем строении звезд.

Наблюдения, проведенные независимо друг от друга разными группами ученых, дают противоречивые результаты. С одной стороны, на поверхности старых белых карликов были обнаружены магнитные поля, что позволяет предположить, что по мере эволюции остатка они могут в конечном итоге выйти на поверхность.

С другой стороны, наблюдения за «умирающими» красными гигантами с помощью метода астросейсмологии показали наличие магнитных полей в ядрах этих прародителей белых карликов, которые появились на несколько миллионов лет раньше на эволюционном пути звезды. Используя эти наблюдения для уточнения своей теоретической модели, команда ISTA демонстрирует, что эти два временных отрезка в жизни звезды можно связать с помощью теории, которая за последнее десятилетие вышла из моды в сообществе исследователей белых карликов, — теории «окаменелого поля».

Эйнрамхоф объясняет: «Поскольку белый карлик — это обнажившееся ядро красного гиганта, сбросившее внешние слои, эти наблюдения по сути изучают одну и ту же область недр звезды на разных этапах эволюции».

Таким образом, после того как красный гигант сбросит внешние слои, его остаток в виде белого карлика будет обладать особыми свойствами на поверхности.

Он добавляет: «Если магнитное поле, наблюдаемое на стадии красного гиганта, такое же, как то, которое формируется на поверхности белого карлика, то теория ископаемого поля может объяснить и связать воедино все наблюдения».

Однако ученые утверждают, что это магнитное поле должно было возникнуть еще раньше, до фазы красного гиганта.

Магнитоархеология: копаясь в прошлом звезд

Пересмотрев сценарий формирования поля окаменелостей с учетом новых данных, команда сделала несколько важных выводов об археологии магнетизма в звездах. Во-первых, они показали, что ключевую роль играет степень намагниченности ядра протозвезды красного гиганта.

«Чтобы связать магнитные поля, наблюдаемые на поверхности старых белых карликов, с теми, что обнаруживаются в ядре их прародителей — красных гигантов, необходимо, чтобы намагниченной была большая часть звезды, — говорит Эйнрамхоф. — Однако это не означает, что звезды намагничены сильнее, просто магнитные поля должны охватывать большую часть их ядра».

Кроме того, их методология позволила понять, как эволюция звезды меняет форму магнитного поля. Согласно их моделированию, магнитные поля могут образовывать не точечные, а оболочечные структуры, напоминающие поверхность баскетбольного мяча, где поле наиболее сильное вблизи оболочки, а не в ядре.

Слепое в своей основе: что, если ядро Солнца тоже обладает магнитным полем?

В конечном счете цель команды — лучше понять, как будет эволюционировать Солнце. Солнце — звезда главной последовательности возрастом 4,6 миллиарда лет — находится в середине ожидаемого жизненного цикла на этой стадии, после чего оно превратится в красного гиганта и, вероятно, поглотит Землю.

«Мы до сих пор не знаем, является ли ядро Солнца магнитным. Несмотря на то, что это наша собственная звезда, мы практически ничего не знаем о том, что происходит в ее центре, — говорит Эйнрамхоф. — Согласно современным представлениям, ядро Солнца не является магнитным. Но если это не так, то эта информация изменит все, что мы знаем, и все модели, на которых мы основывались в своей работе».

В самой продолжительной фазе своего существования, называемой фазой главной последовательности, звезды остаются стабильными до тех пор, пока у них не заканчивается водородное «топливо» в ядре и они не перестают поддерживать процесс термоядерного синтеза. Когда этот внутренний механизм дает сбой, звезды раздуваются и превращаются в красных гигантов.

«Если бы Солнце могло каким-то образом транспортировать водород из внешних слоев в ядро, оно могло бы жить дольше. Один из способов — использование сильных магнитных полей», — говорит Эйнрамхоф.

Однако магнитные поля могут привести и к совершенно иному результату, объясняет он: «Мы знаем, что магнитные поля могут существенно влиять на эволюцию звезды. Но мы до сих пор точно не знаем, как именно они влияют на эволюцию звезд и насколько сильно это влияние».

Результаты исследования, проведенного командой ISTA, подтверждают теорию о том, что ископаемые поля являются вероятным механизмом эволюции звездных магнитных полей. Однако другие вопросы остаются без ответа.

«Учитывая, как мало мы знаем на данном этапе, наша работа позволяет предположить, что все звезды, скорее всего, обладают магнитным полем. Но мы не всегда можем его обнаружить», — заключает Эйнрамхоф.

На изображении:

Как эволюция звезды меняет форму магнитного поля. Согласно моделированию команды ISTA, магнитные поля могут образовывать не только точечные, но и оболочечные структуры (розовые силовые линии).

Фото: Лукас Айнрамхоф | ISTA