Snurr kan berätta för en stjärnålder

Astronomer har några verktyg för att studera stjärnor som låter dem räkna ut relativa åldrar, som att titta på deras temperaturer och ljusstyrka. I allmänhet är rödaktiga och orange stjärnor äldre och svalare, medan blåaktiga vita stjärnor är varmare och yngre. Stjärnor som solen kan betraktas som "medelålders" eftersom deras åldrar ligger någonstans mellan deras svala röda äldre och deras heta yngre syskon. Den allmänna regeln är att hetare och mycket mer massiva stjärnor, som de blåaktiga stjärnorna visar i denna bild, sannolikt kommer att leva kortare liv. Men vilka ledtrådar finns för att berätta för astronomer hur länge dessa liv kommer att vara?

Denna rymdregion innehåller mycket heta, unga stjärnor. Hur länge de lever och hur de dör berättar mycket om livscykeln för stjärnor över hela kosmos. Den mycket massiva stjärnan R136a1 ligger i denna stjärnbildande region i det stora magellanska molnet (en grann galax till Vintergatan). NASA / ESA / STScI

Det finns ett extremt användbart verktyg som astronomer kan använda för att ta reda på åldrar av stjärnor som binder direkt till hur gammal stjärnan är. Den använder en stjärns rotationsfrekvens (det vill säga hur snabbt den snurrar på sin axel). Det visar sig att stjärnhastigheten försvinner när stjärnorna åldras. Det faktum fascinerade ett forskarteam på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, under ledning av astronomen Soren Meibom. De bestämde sig för att konstruera en klocka som kan mäta stjärnsnurr och därmed bestämma stjärnans ålder.

Varför är det viktigt att känna en stjärnålder?

Att kunna berätta stjärnorna är grunden för att förstå hur astronomiska fenomen som involverar stjärnor och deras följeslagare utvecklas över tid. Att känna till en stjärns ålder är viktigt av många skäl som har att göra med stjärnbildningsgraden i galaxer samt bildandet av planeter. 

Konstnärens koncept av en protoplanetärisk skiva runt en nybildad stjärna. NASA

Det är också särskilt relevant för sökandet efter tecken på främmande liv utanför vårt solsystem. Det har tagit lång tid för livet på jorden att uppnå den komplexitet vi finner idag. Med en exakt stjärnklocka kan astronomer identifiera stjärnor med planeter som är lika gamla som vår sol eller äldre.

Spin of a Star berättar sagan

En stjärns rotationsfrekvens beror på dess ålder eftersom den bromsar stadigt med tiden, som en topp som snurrar på ett bord långsammare efter några minuter. En stjärns snurr beror också på dess massa. Astronomer har funnit att större, tyngre stjärnor tenderar att snurra snabbare än mindre, lättare. Det finns en nära matematisk relation mellan massa, snurr och ålder. Mät de två första, och det är relativt enkelt att beräkna de tredje.

Ett konstnärsintryck av en vit dvärgstjärna i bana med pulsar PSR J2222-0137. Det kan vara den coolaste och mörkaste vita dvärgen som någonsin har identifierats. Stjärnhastigheten för denna stjärna ger astronomer ledtrådar till dess åldringsprocess. B. Saxton (NRAO / AUI / NSF)

Denna metod föreslogs först 2003 av astronom Sydney Barnes från Leibniz Institute for Physics i Tyskland. Det kallas "gyrochronology" från de grekiska orden gyros (rotation), chronos (tid / ålder) och logotyper (studie). För att gyrochronology åldrar ska vara exakta och exakta, måste astronomer kalibrera sina nya stjärnklockor genom att mäta snurrperioderna för stjärnor med både kända åldrar och massor. Meibom och hans kollegor studerade tidigare ett kluster av miljarder år gamla stjärnor. Denna nya studie undersöker stjärnor i det 2,5 miljarder år gamla klustret som kallas NGC 6819 och därmed utvidgar åldersintervallet betydligt.

Att mäta en stjärnspinn är inte en lätt uppgift. Ingen kan berätta bara genom att titta på en stjärna hur snabbt den svänger. Så astronomer letar efter förändringar i dess ljusstyrka orsakade av mörka fläckar på dess yta - den stellar ekvivalenten med solfläckar. Dessa är en del av solens normala aktivitet och kan spåras precis som stjärnorna kan. Till skillnad från vår sol är emellertid en avlägsen stjärna en olöst ljuspunkt. Så astronomer kan inte direkt se en solfläck korsa den stjärna skivan. Istället ser de på att stjärnan dunker något när en solfläck visas och lyser igen när solfläcken roterar ur sikten.

Dessa förändringar är mycket svåra att mäta eftersom en typisk stjärna dämpas med mycket mindre än 1 procent. Och tiden är en fråga. För solen kan det ta dagar innan en solfläck kryssar stjärnans ansikte. Detsamma gäller för stjärnor med stjärnor. Vissa forskare har hittat det genom att använda data från NASA: s jakt på planeten Kepler rymdskepp, som tillhandahöll exakta och kontinuerliga mätningar av stjärnens ljusstyrka.

Ett team undersökte fler stjärnor som väger 80 till 140 procent lika mycket som Solen. De kunde mäta snurrarna på 30 stjärnor med perioder som sträckte sig från 4 till 23 dagar, jämfört med den nuvarande 26-dagars snurrperioden för solen. De åtta stjärnorna i NGC 6819 som mest liknar solen har en genomsnittlig snurrperiod på 18,2 dagar, vilket innebär starkt att solens period var ungefär det värdet när den var 2,5 miljarder år gammal (för cirka 2 miljarder år sedan).

Teamet utvärderade sedan flera befintliga datormodeller som beräknar spinnhastigheterna för stjärnor, baserat på deras massor och åldrar och bestämde vilken modell som bäst matchade deras observationer.

Snabba fakta

• Spinhastighet hjälper astronomer att bestämma information om en stjärns ålder och utveckling.
• Forskare studerar kontinuerligt spinnhastigheter för att förstå hur olika typer av stjärnor förändras genom tiden.
• Vår sol, som andra stjärnor, snurrar på sin axel.