Наша планета обречена. Через несколько миллиардов лет Солнце исчерпает запасы водородного топлива и превратится в красного гиганта - звезду настолько большую, что она испепелит и поглотит внутренние планеты.

Хотя красные гиганты - плохая новость для планет, они - хорошая новость для астрофизиков. Их сердца дают ключ к пониманию целого ряда звездных тел, от зарождающихся протозвезд до белых карликов, поскольку в их глубине скрывается невидимая сила, которая может определить судьбу звезды: магнитное поле.

Магнитные поля у поверхности звезд часто хорошо описаны, но что происходит в их ядрах, в основном неизвестно. Ситуация меняется, поскольку красные гиганты хорошо подходят для изучения магнетизма в глубине звезды. Для этого ученые используют звездотрясения - тонкие колебания на поверхности звезды - в качестве двери в звездные недра.

"Красные гиганты обладают такими колебаниями, которые позволяют очень чувствительно прощупать ядро", - говорит Тим Беддинг, астеросейсмолог из Сиднейского университета, изучающий красные гигантские звезды.

В прошлом году команда из Тулузского университета расшифровала эти колебания и измерила магнитные поля внутри тройки красных гигантов. Ранее в этом году та же группа обнаружила магнитные поля еще у 11 красных гигантов. В совокупности эти наблюдения показали, что сердца гигантов более загадочны, чем предполагалось.

Вблизи сердца звезды магнитные поля играют решающую роль в химическом смешении в ее недрах, что, в свою очередь, влияет на процесс эволюции звезды. Уточнив модели звезд и включив в них внутренний магнетизм, ученые смогут более точно рассчитывать звездный возраст. Такие измерения могут помочь определить возраст потенциально пригодных для жизни далеких планет и уточнить сроки формирования галактик.

"Мы не учитываем магнетизм при моделировании звезд", - говорит Лиза Бугне, астрофизик из Института науки и технологий Австрии, которая разработала методы изучения магнитных полей внутри красных гигантов. "Это безумие, но его просто нет, потому что мы не представляем, как оно выглядит [или] насколько оно сильно".

Заглянуть в Солнце

Единственный способ проникнуть в сердце звезды - это астеросейсмология, изучение звездных колебаний.

Так же, как сейсмические волны, проникающие в недра Земли, могут быть использованы для составления карты подземного ландшафта планеты, звездные колебания открывают окно во внутренности звезды. Звезды колеблются в процессе вращения их плазмы, создавая волны, которые несут информацию о внутреннем составе и вращении звезды. Бугне сравнивает этот процесс со звоном колокола - форма и размер колокола издают специфический звук, который раскрывает свойства самого колокола.

Для изучения дрожащих гигантов ученые используют данные телескопа НАСА "Кеплер", который в течение многих лет наблюдал за яркостью более 180 тыс. звезд. Его чувствительность позволила астрофизикам обнаружить мельчайшие изменения в звездном свете, связанные со звездными колебаниями, которые влияют как на радиус, так и на яркость звезды.

Но расшифровка звездных колебаний - дело непростое. Они бывают двух основных типов: акустические моды давления (p-моды) - звуковые волны, распространяющиеся по внешним областям звезды, и гравитационные моды (g-моды) - более низкочастотные и приуроченные в основном к ядру. У звезд, подобных нашему Солнцу, p-моды доминируют в наблюдаемых колебаниях; g-моды, на которые влияют внутренние магнитные поля, слишком слабы для обнаружения и не достигают поверхности звезды.

В 2011 году астрофизик Пол Бек из KU Leuven и его коллеги использовали данные Kepler, чтобы показать, что у красных гигантов p-моды и g-моды взаимодействуют и создают так называемый смешанный режим. Смешанные моды - это инструмент, с помощью которого можно исследовать сердце звезды: они позволяют астрономам увидеть колебания g-моды, а обнаружить их можно только у красных гигантов. Изучение смешанных мод показало, что ядра красных гигантов вращаются гораздо медленнее, чем газообразная оболочка звезды, что противоречит прогнозам астрофизиков.

Это стало сюрпризом и возможным признаком того, что в этих моделях не хватает чего-то важного - магнетизма.

Звездная симметрия

В прошлом году Ган Ли, астеросейсмолог, работающий сейчас в Университете Лёвена, начал копаться в гигантах Кеплера. Он искал сигнал в смешанном режиме, регистрирующий магнитное поле в ядре красного гиганта. "Обычно колебания в смешанном режиме у красных гигантов происходят почти ритмично, создавая симметричный сигнал", - сказал он.

Типично смешанные колебания у красных гигантов происходят почти ритмично, создавая симметричный сигнал. Бугне и другие исследователи предсказывали, что магнитные поля могут нарушать эту симметрию, но никому не удавалось провести это хитрое наблюдение - до тех пор, пока не появилась команда Ли.

Ли и его коллеги нашли трио гигантов, которые демонстрировали предсказанную асимметрию, и рассчитали, что магнитное поле каждой звезды "в 2 000 раз превышает силу обычного магнита для холодильника" - сильное, но соответствующее предсказаниям.

Однако один из трех красных гигантов удивил их: Его сигнал в смешанном режиме был обратным. "Мы были несколько озадачены", - сказал Себастьен Дехёвельс, автор исследования и астрофизик из Тулузы. По мнению Дехёвельса, этот результат свидетельствует о том, что магнитное поле звезды наклонено на бок, а значит, с помощью этого метода можно определить ориентацию магнитных полей, что очень важно для обновления моделей звездной эволюции. Во втором исследовании, проведенном под руководством Дехёвельса, с помощью астеросейсмологии в смешанном режиме были обнаружены магнитные поля в ядрах 11 красных гигантов. Здесь команда исследовала, как эти поля влияют на свойства g-мод, что, как отметил Дехейвельс, может дать возможность выйти за пределы красных гигантов и обнаружить магнитные поля у звезд, не демонстрирующих столь редких асимметрий. Но сначала "мы хотим найти количество красных гигантов, демонстрирующих такое поведение, и сравнить их с различными сценариями формирования этих магнитных полей", - сказал Дехейвелс.

Не просто число

По словам Конни Аертса (Conny Aerts), астрофизика из KU Leuven, использование звездотрясений для изучения внутренностей звезд положило начало "ренессансу" в звездной эволюции.

Это возрождение имеет далеко идущие последствия для нашего понимания звезд и нашего места в космосе. Пока мы знаем точный возраст только одной звезды - нашего Солнца, который ученые определили по химическому составу метеоритов, образовавшихся во время зарождения Солнечной системы. Для всех остальных звезд во Вселенной мы имеем лишь приблизительные данные о возрасте, основанные на данных о вращении и массе. Добавьте к этому внутренний магнетизм, и вы получите способ более точной оценки звездного возраста.

А ведь возраст - это не просто число, а инструмент, который может помочь ответить на некоторые из самых глубоких вопросов о космосе. Возьмем, к примеру, поиск внеземной жизни. С 1992 года ученые обнаружили более 5 400 экзопланет. Следующий шаг - дать характеристику этим планетам и определить, пригодны ли они для жизни. Для этого необходимо знать возраст планеты. "А узнать ее возраст можно, только зная возраст звезды-хозяина", - говорит Дехейвелс.

Еще одна область, требующая точного определения звездного возраста, - галактическая археология, изучающая процесс формирования галактик. Например, Млечный Путь в ходе своей эволюции поглощал более мелкие галактики; астрофизики знают об этом, поскольку по химическому составу звезд можно проследить их происхождение. Но у них нет точной хронологии того, когда это произошло, - предполагаемый звездный возраст недостаточно точен.

"Реальность такова, что иногда мы ошибаемся в звездном возрасте в 10 раз", - говорит Аертс.

Изучение магнитных полей в звездных сердцах все еще находится в зачаточном состоянии; существует много неизвестных, когда речь идет о понимании того, как эволюционируют звезды. Аэртс считает, что в этом есть своя прелесть.

"Природа более изобретательна, чем мы", - говорит она.

Поездка Джексона Райана для написания этой статьи была частично профинансирована программой ISTA Science Journalist in Residence Program.

Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, миссия которого заключается в углублении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.

Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine.