For omkring 50 år siden forudsagde astronomer, hvad vores sols endelige skæbne vil være. I henhold til teorien vil solen udtømme sit brændstofbrændstof milliarder af år fra nu og udvide til at blive en rød kæmpe, efterfulgt af den kaster dets ydre lag og bliver en hvid dværg. Efter nogle flere milliarder år med afkøling vil det indre krystallisere og blive solidt.
Indtil for nylig havde astronomer lidt bevis for at sikkerhedskopiere denne teori. Men tak til ESA'erne Gaia-observatorium, astronomer er nu i stand til at observere hundreder af tusinder af hvide dværgstjerner med enorm præcision - måle deres afstand, lysstyrke og farve. Dette har igen givet dem mulighed for at studere, hvad fremtiden har for vores sol, når det ikke længere er den varme, gule stjerne, som vi kender og elsker i dag.
Undersøgelsen, der beskriver disse fund, for nylig blev vist i tidsskriftet Natur under titlen "Kernekrystallisering og ophobning i afkølingssekvensen for udviklende hvide dværge." Undersøgelsen blev ledet af Pier-Emmanuel Tremblay, en adjunkt ved University of Warwick, og omfattede flere forskere fra Warwicks gruppe for astronomi og astrofysik, Université de Montréal og University of North Carolina.
Når det kommer til stjernernes udvikling, har årtiers observationer kombineret med teoretiske modeller gjort det muligt for astronomer at konkludere, hvad der vil ske med en stjerne, baseret på dens klassificering. Mens større stjerner (som blå supergiganter) i sidste ende går supernovaer og bliver neutronstjerner eller sorte huller, vil mindre stjerner som vores sol kaste deres ydre lag for at blive planetariske nebler og til sidst afslutte deres livscyklus som en hvid dværg.
Disse ultratette stjerner udsender fortsat stråling, når de køler, en proces, der varer milliarder af år. Til sidst vil deres interiør være kølig nok - ca. 10 millioner ° C (50 millioner ° F) - til at det ekstreme tryk, der udøves på deres kerner, får materialet der til at krystallisere og bliver solidt. Det anslås, at dette vil være skæbnen for op til 97% af stjernerne i Mælkevejen, mens resten bliver neutronstjerner eller sorte huller.
Da hvide dværge er blandt de ældste stjerner i universet, er de utroligt nyttige for astronomer. Da deres livscyklus er forudsigelig, bruges de som ”kosmiske ure” til at estimere alderen for grupper af nabostjerner med en høj grad af nøjagtighed. Men det har været udfordrende at bestemme, hvad der sker med hvide dværge mod slutningen af deres livscyklus.
Tidligere var astronomer begrænset, når det gjaldt antallet af hvide dværge, de kunne studere. Alt dette ændrede sig med implementeringen af Gaia, et rumobservatorium, der har brugt de sidste par år præcist på at måle positioner, afstande og bevægelser af stjerner med henblik på at skabe den mest detaljerede 3D-rumskatalog nogensinde lavet.
Som Pier-Emmanuel Tremblay, en ERC * Starter Grant Fellow, angav i en nylig ESA-pressemeddelelse:
”Tidligere havde vi afstande for kun et par hundrede hvide dværge, og mange af dem var i klynger, hvor de alle har samme alder. Med Gaia har vi nu afstand, lysstyrke og farve på hundreder af tusinder af hvide dværge til en betydelig prøve på den ydre skive af Mælkevejen, der spænder over en række indledende masser og alle slags aldre. ”
Til deres undersøgelse brugte astronomerne Gaia-data til at analysere mere end 15.000 stjernekandidater inden for 300 lysår fra Jorden. Fra denne prøve var de i stand til at identificere et overskud i antallet af stjerner (også kaldet en pileup), der havde specifikke farver og lysstyrker, der ikke svarede til nogen enkelt masse eller alder.
En gang sammenlignet med evolutionære modeller af stjerner syntes denne sammenhæng at falde sammen med udviklingsstadiet, hvor stjerner mister varme i store mængder. Denne proces bremser den naturlige afkølingsproces og får de døde stjerner til at stoppe dæmpningen, hvilket får dem til at se op til 2 milliarder år yngre end de faktisk er.0
”Dette er det første direkte bevis for, at hvide dværge krystalliserer eller overgår fra flydende til fast stof,” forklarede Tremblay i en pressemeddelelse fra Warwick. ”Det blev forudsagt for halvtreds år siden, at vi skulle observere en opsamling i antallet af hvide dværge ved visse lysstyrker og farver på grund af krystallisation, og først nu er dette blevet observeret.”
Dette mønster, hvor lysstyrken ikke hænger sammen med alderen, var en af de vigtigste forudsigelser, der blev fremsat om krystallisering af hvide dverge for 50 år siden. Nu hvor astronomer har direkte bevis for denne proces på arbejdspladsen, vil det sandsynligvis påvirke vores forståelse af, hvilke stjernegrupper hvide dværge skal inkluderes i.
”Hvide dværge bruges traditionelt til aldersdating af stjernestande som stjerneklynger, den ydre skive og glorie i vores Mælkevej,” sagde Tremblay. ”Vi bliver nu nødt til at udvikle bedre krystallisationsmodeller for at få mere nøjagtige skøn over disse systems aldre.”
For eksempel, mens alle hvide dværge vil krystallisere på et tidspunkt i deres udvikling, varierer den tid, det tager, baseret på stjernen. Mere massive hvide dværge afkøles hurtigere og når temperaturen, ved hvilken krystallisation finder sted hurtigere (om en milliard år). Mindre hvide dværge, hvilket er, hvad vores sol bliver, kræver muligvis op til seks milliarder år for at gøre den samme overgang.
”Det betyder, at milliarder af hvide dværge i vores galakse allerede har afsluttet processen og i det væsentlige er krystalkugler på himlen,” sagde Tremblay. I mellemtiden kan vores sol forventes at gennemgå denne overgang om cirka ti milliarder år. På det tidspunkt vil vores sol have forladt sin røde gigantfilialfase, blive en hvid dværg og begyndt krystallisationsprocessen.
Dette er bare den seneste åbenbaring, der kommer fra Gaia mission, der har brugt de sidste fem år på at katalogisere himmelobjekter i Mælkevejen og de nærliggende galakser. Inden missionen slutter (forventes at ske inden 2022), er der planlagt yderligere to udgivelser af data, hvor DR3-frigivelsen er planlagt til 2021, og den endelige frigivelse skal endnu ikke bestemmes.
* Forskningen blev muliggjort takket være finansiering fra Det Europæiske Forskningsråd (ERC).
