Астрономія
Астрономія

У зоряній кризі середнього віку звинуватили магнітне динамо

Зірки середнього віку, приблизно як наше Сонце, можуть відчувати свою власну кризу, яка супроводжується різкими перервами у швидкості обертання та активності. Вони унеможливлюють оцінку віку цих зір, чим збивають астрономів з пантелику — раніше вважалося, що зорі поступово переходять до магнітно-неактивної «старості». Але у Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters індійські дослідники за допомогою моделювання показали, що виною всьому уповільнення магнітного гальмування, яке тепер пропонують враховувати при дослідженні зірок.

Магнітне поле Сонця генерує корональні викиди / NorthWest Research Associates

Магнітне поле Сонця генерує корональні викиди / NorthWest Research Associates

Як вимірюють вік зірок?

Насправді у астрономів немає якогось одного чіткого інструмента, з яким можна було б із 100-відсотковою упевненістю сказати про вік зорі. Ми можемо лише за непрямими підказками приблизно відносити зорі до «молодих», «середнього віку» та «тих, що вже доживають свій вік». Переважно це їхній хімічний склад, який можна визначити за допомогою спектрального аналізу, та вік планет, що крутяться довкола (його можна визначити за ізотопним аналізом). Ці дані, враховуючи спостережувану активність зорі, що визначається, наприклад, за її рухом, можна накласти на наші теоретичні знання про зоряну еволюцію та приблизно визначити вік. Більше про еволюційний шлях зірок Nauka.ua розповідала у картках «Як довго живуть зірки?».

Оскільки нашою головною зорею є Сонце, то про нього астрономи знають найбільше. Його відносять до жовтих карликів та він вже приблизно 4,5 мільярда років знаходиться на Головній послідовності — там більшість свого життя проводять й інші зірки. Сонце є так званою зорею «середнього віку», а отже вже наближається до своєї «вибухової» старості, де перш ніж охолонути білим карликом, спершу стане червоним гігантом. Про завершення його життя вчені дізнаються зі зниження сонячної активності — головним інструментом зоряної гірохронології є спостережуване зменшення активності і швидкості обертання зірок з плином часу через поступову втрату кутового моменту.

Як у зір діагностують кризу середнього віку?

«Кризою середнього віку» у зірок астрономи називають розбіжності, які виникають під час спостереження за зорями — з одного боку, вони мають уповільнюватися і старіти, а з іншого, і них несподівано з'являються нові цикли активності. Тому ідею залежності швидкості обертання зірки від віку визнали ненадійною після середини життя зірок, а навколо Сонця точаться суперечки — чи наближається воно вже до свого магнітно-неактивного майбутнього. Стандартне розуміння гальмування обертання, пов'язане з втратою кутового моменту через магнітно-пов'язані зоряні вітри також не можуть пояснити змінності у цьому процесі. Мова йде про явище «магнітного гальмування», коли постійний потік заряджених частинок зоряного вітру згодом відлітає від зірки, забираючи з собою її кутовий момент і тим самим змушуючи подібні до нашого Сонця зорі поступово сповільнювати своє обертання протягом мільярдів років. Але повідомлялося, що Сонце зараз переживає фазу «ослабленого» магнітного гальмування та значно відстає у цьому від принаймні 369 зірок свого віку. Тож необхідно шукати нові механізми на пояснення «кризи середнього віку» у зірок.

Фазовий колапс, що спостерігається в типовому моделюванні 400 років сонячної активності, коли спостерігається велика мінімальна фаза (верхня панель). Мінімум Маундера на малюнку нижче показаний у часових рамках 4400 років. Bindesh Tripathi et al. / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 2021

Фазовий колапс, що спостерігається в типовому моделюванні 400 років сонячної активності, коли спостерігається велика мінімальна фаза (верхня панель). Мінімум Маундера на малюнку нижче показаний у часових рамках 4400 років. Bindesh Tripathi et al. / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 2021

Що з кризою пропонують робити?

Магнітна активність зірок у тому числі є продуктом механізму магнітогідродинамічного динамо (МГД-динамо), коли конвективні потоки рідкого металу (або іншої провідної рідини) перетворюються на такий собі генератор магнітного поля. У цьому вчені і запідозрили можливу причину кризи — може існувати зв'язок між природою і еволюцією дії зоряного динамо та розбіжностями у спостереженнях. Так дослідження природи магнітних динамо у зірок, схожих на Сонце, може стати простим поясненням цих непорівнянних спостережень. У своїй роботі, щоб охарактеризувати сонячну динамо-машину, астрономи реконструювали сонячну активність за останні 9 тисяч років. На графіку вони побачили фази зниження активності сонячних плям, де головним епізодом став мінімум Маундера, коли між 1 645 і 1 715 роками нашої ери спостерігалося всього 50 сонячних плям замість звичних 40-50 тисяч. Також для моделювання використали дані про ізотопи у крижаних кернах з льодовикових щитів, які також можуть зберігати інформацію про сонячну активність.

Реконструйовані дані показують 20 великих мінімумів за останні 9000 років, що вчені пов'язали із особливим режимом роботи сонячного МГД-динамо. Так, на їхню думку, коли зорі досягають середнього віку, механізм генерації магнітного поля у них раптово стає менш ефективним. Але при цьому зірки ще не втрачають його зовсім, а набувають двох різних станів активності — низької та високою. Від різкого зниження втрат кутового моменту під час магнітного гальмування Сонце рятує саме цей режим низької активності. Відновлене число сонячних плям передбачає, що виникнення великих мінімумів не циклічне явище, адже механізм його генерації сам по собі є хаотичним. Тож епізоди грандіозних мінімумів можна розглядати як події, що відповідають єдиному регулярному режиму сонячної активності, хоча і є окремим станом роботи МГД-динамо Сонця. Подібні фази низької активності спостерігалися і у інших сонцеподібних зірок, які також назвали «зірками мінімуму Маундера», тому нова робота пояснить подібні явища не лише на Сонці та розв'яже проблему порушення зоряної гірохронології.