Według starego scenariusza starzejąca się gwiazda typu słonecznego miała z czasem zmienić swój “układ obrotów”. Młodsza wersja działa jak nasze Słońce: równik porusza się szybciej niż okolice biegunów. Potem, wraz ze spowolnieniem rotacji, wszystko miało się odwrócić, a bieguny miały wyprzedzać równik. Brzmiało to logicznie i przez lata uchodziło za naturalny etap gwiezdnego starzenia. Najnowsza praca pokazuje jednak, że ten przewrót najpewniej wcale nie następuje. Gwiazdy podobne do Słońca mają zachowywać ten sam wzór rotacji przez całe życie, a kluczową rolę odgrywają tu pola magnetyczne, które wcześniej były w symulacjach zwyczajnie zbyt słabo uchwycone.
Słońce wcale nie szykowało obrotowej rewolucji
Słońce nie obraca się jak sztywna kula. Jest zbudowane z gorącej plazmy, więc różne szerokości geograficzne mogą poruszać się z różną prędkością. Równik wykonuje pełen obrót mniej więcej w 25 dni, a okolice biegunów potrzebują na to około 35 dni. Ten układ nazywa się różnicową rotacją typu słonecznego i właśnie on od dawna służył jako punkt odniesienia dla innych podobnych gwiazd.
Przez dekady sądzono, że kiedy taka gwiazda będzie się starzeć i coraz bardziej zwalniać, w jej wnętrzu zmienią się przepływy materii. W efekcie miało dojść do odwrócenia sytuacji: bieguny zaczęłyby obracać się szybciej niż równik. Teoria wyglądała sensownie, bo była zgodna z wcześniejszymi modelami numerycznymi. Problem polegał na tym, że obserwacje nie dawały mocnych dowodów, że taki stan rzeczy rzeczywiście pojawia się w naturze. Przez długi czas winę zrzucano raczej na ograniczenia metod obserwacyjnych niż na samą teorię.
Nowe wyniki przesuwają akcent w inną stronę. Badacze pokazali, że wcześniejsze symulacje zbyt słabo uwzględniały magnetyzm. To trochę tak, jakby próbować opisać pogodę, pomijając istnienie chmur, bo model radzi sobie bez nich szybciej. Formalnie wszystko się zgadza, tylko świat za oknem nie bardzo chce współpracować. W przypadku gwiazd właśnie pola magnetyczne mają pilnować, by równik przez całe życie pozostawał szybszy od biegunów, nawet gdy cała gwiazda stopniowo traci tempo.
Winowajcą okazał się magnetyzm, a nie wiek gwiazdy
W centrum tej sytuacji stoją dwa zjawiska: turbulencja i pole magnetyczne. Wnętrze gwiazdy nie jest spokojnym, gładkim środowiskiem, lecz miejscem nieustannego wrzenia materii, konwekcji i przepływów energii. To właśnie te ruchy od dawna uznawano za siłę kształtującą różnice w prędkości obrotu między równikiem a biegunami. Nowe symulacje pokazują jednak, że sama turbulencja nie opowiada całej historii. Potrzebny jest jeszcze drugi aktor: magnetyzm i to on zmienia wniosek końcowy.
Zespół z Nagoya University wykorzystał superkomputer Fugaku i przeprowadził bardzo wysokorozdzielcze symulacje wnętrza gwiazd typu słonecznego. Każdą symulowaną gwiazdę podzielono na 5,4 miliarda punktów siatki, co dobrze pokazuje skalę obliczeń. Przy takiej dokładności pola magnetyczne nie “rozmyły się” jak w starszych modelach, tylko pozostały na tyle silne, by realnie wpływać na dynamikę całego układu. To właśnie wtedy wyszło na jaw, że przewidywane odwrócenie rotacji było prawdopodobnie artefaktem uproszczonych obliczeń, a nie prawem rządzącym życiem podobnych do Słońca gwiazd.
To odkrycie ma jeszcze jeden ciekawy skutek. Skoro pola magnetyczne utrzymują “słoneczny” wzór rotacji, to inaczej trzeba też patrzeć na tak zwane hamowanie magnetyczne, czyli stopniową utratę momentu pędu przez gwiazdę. Nature Astronomy streszcza to wprost: silne pola magnetyczne nie tylko zapobiegają przejściu do odwrotnego wzoru rotacji, ale też osłabiają magnetyczne wyhamowywanie gwiazdy w ciągu jej życia. Tempo rotacji jest jednym z podstawowych zegarów używanych w badaniu wieku gwiazd. A jeśli sam mechanizm spowalniania wygląda inaczej, trzeba będzie uważniej przeliczyć niejedną gwiezdną metrykę.
Źródła: Interesting Engineering; Phys