Metodă nouă pentru determinarea gravitaţiei de la suprafaţa unei stele îndepărtate

Astronomii au găsit o nouă metodă inteligentă pentru a analiza lumina pâlpâitoare provenită de la o stea îndepărtată, într-un mod care dezvăluie intensitatea forţei de gravitaţie de la suprafaţa sa. Această determinare este importantă pentru că gravitaţia de la suprafaţa unei stele este una dintre proprietăţile de bază pe care astronomii le folosesc pentru a calcula proprietăţile fizice ale unei stele.

De asemenea, gravitaţia este utilizată pentru a identifica în ce faza de evoluţie se află steaua respectivă. Noua metodă de măsură poate fi folosită pentru a îmbunătăţi, în mod semnificativ, estimările privind dimensiunile a sute de exoplanete care au fost descoperite în ultimii 20 de ani. Estimările curente, privind mărimea acestor exoplanete, au incertitudini ce variază între 50% şi 200%. Prin utilizarea imaginilor îmbunătăţite ce indică intensitatea gravitaţiei de la suprafaţa stelei gazdă, calculată prin noua metodă, ar trebui să se reducă aceste incertitudini cel puţin la jumătate.

Imaginea prezintă simulări ale modelelor granulate aflate la suprafaţa Soarelui, a unei stele subgigante şi a unei stele gigante. Scara fiecărei simulări este proporţională cu mărimea imaginii albastre a Pământului, aflată lângă ea.
Credit: R. Trampedach, JILA/CU Boulder, CO.

Noua metodă de măsură a fost dezvoltată de o echipă de astronomi condusă de profesorul de fizică Vanderbilt şi astronomul Keivan Stassun şi ea este descrisă în ediţia din 22 august a revistei Nature.

„În momentul în care cunoaşteţi gravitaţia de la suprafaţa unei stele, atunci mai aveţi nevoie doar de o singură măsurătoare, a temperaturii ei, care este destul de uşor de a fi obţinută, în scopul de a determina masa sa, mărimea şi alte proprietăţi fizice importante", a spus Stassun.

„Determinarea gravitaţiei la suprafaţa stelelor a fost întotdeauna o sarcină dificilă", a adăugat Gibor Basri, profesor de astronomie la University of California, Berkeley, cel care a contribuit la studiu. „În consecinţă, este o surpriză foarte plăcută pentru a afla că lumina pâlpâitoare, subtilă, a unei stele ne oferă o modalitate, relativ uşoară, de a măsura gravitaţia stelelor".

„Această metodă ar putea fi descoperirea de care avem nevoie pentru a reuşi să stabilim dimensiunile la sute de stele şi de exoplanete", a spus Maria Womack, director de program ştiinţific la National Science Foundation, organizaţia care a finanţat cercetarea. „Obţinerea unor dimensiuni precise este esenţială pentru stabilirea densităţii unei exoplanete, aceasta fiind o informaţie care a lipsit pentru multe planete. Deci, în plus faţă de implicaţiile privind stadiul evoluţiei stelare, această activitate inovatoare va fi de nepreţuit în scopul identificării a sute de exoplanete, indiferent dacă acestea sunt formate din roci sau sunt planete gazoase".

Oamenii de ştiinţă au transformat semnalele luminoase, provenite de la stele îndepărtate, în sunet. Prin analizarea zgomotului de audiofrecvenţă din sunet, ei pot stabili intensitatea gravitaţiei de la suprafaţa stelei şi stadiul evolutiv al acesteia, în cursul transformării ei din stea pitică în stea gigantă roşie.


Măsurarea gravitaţiei stelare

Există trei metode tradiţionale de estimare a gravitaţiei de la suprafaţa unei stele: fotometric, spectroscopic şi prin astro-seismologie. Noua metodă dezvoltată de cercetători este mai simplă decât metodele mai vechi şi mai precisă decât acestea.

Metodele fotometrice analizează cât de luminoasă este o stea, în culori diferite. Această proprietate este legată de gravitaţia de la suprafaţa stelei, temperatura şi compoziţia sa chimică. Aceste observaţii astronomice sunt relativ uşor de efectuat şi pot fi realizate chiar şi în cazul stelelor a căror lumină este foarte estompată, dar nu oferă o valoare foarte exactă pentru gravitaţia de la suprafaţa stelei, având un domeniu de incertitudine cuprins între 90% şi 150%.

Metodele spectroscopice sunt mult mai complicate şi ele sunt aplicabile în cazul stelelor relativ luminoase, dar ele oferă un domeniu redus de incertitudine cuprins între 25% şi până la 50%. Aceste metode presupun examinarea benzile spectrale înguste ale luminii ce a fost emisă de elementele chimice din atmosfera stelei. În general vorbind, o gravitaţie mare la suprafaţa stelei lărgeşte liniile spectrale, în timp ce o gravitaţie redusă le îngustează.

Astro-seismologia reprezintă metoda cea mai exactă, având o precizie de câteva procente, dar măsurătorile sunt mai dificil de efectuat în comparaţie cu metoda spectroscopică. Această metodă se poate aplica doar la câteva sute din cele mai apropiate şi mai strălucitoare stele. Metoda urmăreşte impulsurile sonore care se propagă prin interiorul unei stele, la frecvenţe specifice şi care sunt influenţate de gravitaţia de la suprafaţa stelei. Stelele mici, cum ar fi Soarele, emit un sunet cu o frecvenţă înaltă în timp ce stelele gigante emit un sunet de frecvenţă joasă.

Mult mai asemănătoare cu metoda de măsură a astro-seismologiei, noua metodă de studiu a pâlpâirii luminoase, descoperită de cercetători, analizează variaţiile de luminozitate ale stelei, dar, în acest caz, se obţin valori de zero care apar periodic la opt ore sau mai puţin. Aceste variaţii par a fi legate de factorul de granulare, o reţea de celule mici care acoperă suprafaţa unei stele şi care sunt cauzate de coloanele de gaz care se ridică din interior. În cazul stelelor ce au o gravitaţie la suprafaţa mare, această granulaţie este mai fină şi ea pâlpâie la o frecvenţă mai mare.


Extrem de simplu

Noua metodă este extrem de simplă, ea necesită doar cinci linii de cod de programare a calculatorului pentru a efectua măsurarea de bază, reducând substanţial costurile şi efortul necesar pentru a calcula gravitaţia la suprafaţa a mii de stele.

„Metodele spectroscopice sunt precum o intervenţie chirurgicală. Analiza este meticuloasă şi necesită o granulaţie luminoasa foarte fină", a spus Stassun. "Noua metodă este mult mai asemănătoare cu tehnica de analiză a ultrasunetelor. Puteţi aplica sonda pe suprafaţă şi veţi observa ceea ce trebuie să măsuraţi. Dar puterea de diagnoză, cel puţin pentru măsurarea gravitaţiei, este la fel de bună, dacă nu chiar mai bună".

Pentru a determina precizia noii metode de măsură, cercetătorii au folosit această tehnică pentru a calcula gravitaţia de la suprafaţa unor stele care au fost analizate anterior utilizând metoda astro-seismologiei. Ei au descoperit că ea are un grad de incertitudine mai mic de 25%, care este mai bun decât cel corespunzător metodei fotometrice şi metodei spectroscopice. Principala sa limitare este reprezentată de nevoia de a utiliza date astronomice de o calitate extrem de ridicată şi care sunt obţinute de-a lungul unei lungi perioade de timp. Dar aceste caracteristici reprezintă exact tipul de observaţii efectuate de telescopul Kepler, în perioada în care acesta a urmărit scăderile periodice de luminozitate ce au loc atunci când exoplanetele trec prin faţa stelelor lor gazdă. În consecinţă, noua metodă de măsurare a gravitaţiei poate fi aplicată la zeci de mii de stele, deja monitorizate de telescopul Kepler.

„Precizia deosebită a datelor astronomice, furnizate de telescopul Kepler, ne permit să monitorizăm suprafeţele stelelor", a spus Joshua Pepper, un membru al echipei de lucru, profesor asistent de fizică la Lehigh University. „Schimbările ce au loc la suprafaţa stelelor cauzează modificări subtile în luminozitatea unei stele, de-a lungul unei perioade de timp de câteva ore şi ne indică, în detaliu, în ce stadiu de evoluţie sunt aceste stele pe parcursul vieţii lor".


Joaca cu datele obţinute

Fabienne Bastien, absolvent universitar, a fost responsabilă pentru descoperirea informaţiilor valoroase ce sunt încorporate în lumina pâlpâitoare a stelelor. Descoperirea a început atunci când ea s-a „jucat" cu datele obţinute de telescopul Kepler, utilizând un program special de vizualizare a acestora pe care astronomii l-au dezvoltat pentru analizarea seturilor de date astronomice multidimensionale.

Programul de vizualizare, care a permis această descoperire, numit Filtergraph, poate fi utilizat în mod gratuit şi se poate obţine de la adresa http://filtergraph.vanderbilt.edu.

„Am reprezentat grafic diferiţi parametri în căutarea unuia care s-ar putea corela cu intensitatea câmpului magnetic al stelelor", a spus Bastien. „Nu l-am găsit, dar am găsit o corelare interesantă între aceste modele luminoase pâlpâitoare, aflate la suprafaţa stelei şi gravitaţia acesteia".

Când Bastien a arătat descoperire ei lui Stassun, acesta a fost surprins. În consecinţă, ei au aplicat această metodă pentru analiza datelor arhivate obţinute de telescopul Kepler, curbele de lumină, la câteva sute de stele asemănătoare Soarelui.

Când au reprezentat grafic variaţia totală a strălucirii stelelor în funcţie de intensitatea pâlpâirii, eu au descoperit un model interesant. Pe măsură ce stelele devin mai bătrâne, variaţia strălucirii lor totale scade treptat, până la un nivel minim. Acest lucru este uşor de înţeles, deoarece viteza cu care o stea se învârte scade treptat în timp. Pe măsură ce stelele se apropie de acest minim de strălucire, pâlpâirea lor începe să crească în complexitate, o caracteristică pe care astronomii o denumesc „pârâit". Odată ce steaua a ajuns în acest punct, pe care astronomii îl numesc de pâlpâire minimă, stelele par a-şi menţine acest nivel scăzut de variabilitate luminoasă pentru tot restul vieţii lor, deşi aceasta pare să crească din nou, atunci când steaua se apropie de sfârşitul ei de viaţă, sub unei stele gigante roşii.

„Acesta este un nou mod interesant de a privi evoluţia stelelor şi o metodă de a arăta evoluţia viitoare a Soarelui nostru, într-o perspectivă deosebit de importantă", a spus Stassun.

Când astronomii au efectuat analiza curbelor de lumină ale Soarelui, de exemplu, ei au descoperit că acesta se află chiar deasupra pragului minim de pâlpâire, ceea ce i-a făcut să prevadă că Soarele se apropie de un moment când va suferi o tranziţie importantă către o stare de minimă variabilitatea şi, în cadrul acestui proces, îşi va pierde din petele sale.