224 tähden analyysi osoitti: tähtien aktiivisuus onkin pyörimisen ja kaoottisten kaasuvirtausten yhteispeliä

Tähtien aktiivisuustasot voivat olla keskenään hyvin erilaisia. Esimerkiksi Auringon koronan massa- ja roihupurkaukset sekä auringonpilkut ovat suhteellisen heikkoja verrattuna muiden tähtien aktiivisuuteen.

Aalto-yliopiston ja saksalaisen Max Planck -instituutin johtama ryhmä tutki erilaisia tähtiä data-analyysitekniikan avulla. Tutkijat havaitsivat, että toisin kuin aiemmat tutkimukset ovat ehdottaneet, tähden aktiivisuustaso ei riipu vain sen pyörimisestä vaan pyörimisen ja konvektion eli kaoottisten kaasuvirtausten yhteisvaikutuksesta.

”Tuloksemme viittaavat dynamomekanismiin, jossa tähden aktiivisuus on pyörimisen ja turbulenttisen konvektion yhteisvaikutuksen tulos”, sanoo Aalto-yliopiston professori ja Max Planck -instituutin Solar and Stellar Dynamos -tutkimusryhmän johtaja Maarit Käpylä.

Tulokset julkaistiin tuoreessa Nature Astronomy -lehdessä.

Ikääntyminen vaikuttaa tähtiinkiin

Tutkijat analysoivat tutkimuksessaan Kalifornian Mount Wilsonin observatorion aineistoa, jonka avulla voitiin tutkia paitsi tähtien aktiivisuustasoa myös niiden pyörähdysaikoja.

”Valitettavasti emme voi katsoa suoraan Aurinkoon ja muihin tähtiin nähdäksemme näiden prosessien toimintaa, vaan meidän on tyydyttävä epäsuorempiin menetelmiin”, sanoo tutkijatohtori Jyri Lehtinen Max Planck -instituutista.

Tutkijat analysoivat 224 keskenään hyvin erilaista tähteä. Mukana oli sekä pääsarjatähtiä, jotka ovat elämänsä alkutaipaleella, että vanhempia, kehittyneempiä jättiläistähtiä. Sekä tähtien konvektio- että pyörimisominaisuudet muuttuvat yleensä niiden ikääntyessä. Pääsarjan tähtiin verrattuna kehittyneissä tähdissä on paksumpi konvektiovyöhyke, joka usein kattaa valtaosan tähden halkaisijasta, ulottuen joskus miltei koko tähden läpi.

Tutkijat mittasivat tähtien pyörähdysajat ja aktiivisuustasot sekä arvioivat niiden konvektiivisen sekoitusajan. Tällä tarkoitetaan sitä tyypillistä aikaa, jossa tähden konvektion virtaukset kuljettavat kaasua konvektiokerroksen pohjalta sen pinnalle ja takaisin. Sekä nuorten että kehittyneiden tähtien aktiivisuustasot ovat selitettävissä yhtenäisellä aktiivisuuden ja pyörimisliikkeen välisellä lainalaisuudella vain silloin, kun myös konvektio otetaan huomioon.

Auringon tapaan myös muilla tähdillä saattaa olla aktiivisia alueita, joiden magneettikenttä on erittäin voimakas. Tähtien näkyvällä pinnalla erottuu myös usein tummia pilkkuja.

”Tähden pyöriessä nämä alueet tulevat esiin ja taas häviävät, mikä johtaa säännölliseen vaihteluun emission eli säteilyn kirkkaudessa”, kertoo Maarit Käpylä.

Koska tähtien emissiot voivat kuitenkin vaihdella myös muista syistä, erityisesti säteilyn pitkäaikaisen säännöllisen vaihtelun tunnistaminen on hankalaa.

Konvektiiviset sekoitusajat laskettiin tähtien rakenteen mallinnuksella, jossa otettiin huomioon kunkin tähden massa, kemiallinen koostumus ja evoluutiovaihe.

Vääntyvä magneettikenttä

Tähtien sisäinen pyörähdysaika eli pyörähdys oman akselinsa ympäri aiheuttaa kaasun leikkausliikettä. Siina vierekkäiset kaasuvirtaukset liikkuvat eri nopeuksilla viistäen toistensa ohi kuin sakset. Konvektio taas syntyy, kun tähden kuuma plasma nousee sisältä pintaa kohti, jäähtyy ja sitten vajoaa.Tähtien konvektio on voimakkaan turbulenttia eli pyörteistä.

Pyöriminen ja konvektio vääntävät yhdessä tähden magneettikenttää ja muodostavat sitä kasvattavan ja ylläpitävän dynamoprosessin, jonka toimintaa ei vielä täysin ymmärretä. Tähän asti tutkimus on tukenut teoriaa, jossa tähtien pyöriminen on aktiivisuudessa merkittävämmässä roolissa kuin konvektio. Tähden ikääntyessä sen pyöriminen yleensä hidastuu, mikä aiemman teorian mukaan tarkoittaisi, että niissä näkyy hyvin vähän tai ei lainkaan magneettista aktiivisuutta.

”Joidenkin tutkimiemme tähtien pyörähdysaika on satoja päiviä, kun esimerkiksi Auringon pyörähdysaika on vain 30. Silti niiden magneettinen aktiivisuus on yhtä korkea kuin Auringolla. Löysimme niistä jopa syklisesti muuttuvaa aktiivisuutta", kertoo tutkijatohtori Nigul Olspert Max Planck -instituutista.

”Uudet tutkimustuloksemme ovat vahva todiste siitä, että tähtien konvektiokerrosten kaoottisilla kaasuvirtauksilla on tärkeä merkitys tähtien aktiivisuuden synnyttämisessä”, sanoo Maarit Käpylä.

Artikkeli:

Jyri J. Lehtinen, Federico Spada, Maarit J. Käpylä, Nigul Olspert, Petri J. Käpylä:

Common dynamo scaling in slowly rotating young and evolved stars,

Nature Astronomy, 9. maaliskuuta 2020

https://doi.org/10.1038/s41550-020-1039-x