För cirka femtio år sedan förutspådde astronomer vad solens slutliga öde kommer att bli. Enligt teorin kommer solen att uttömma sitt vätebränsle miljarder år från och med nu och utvidgas till att bli en röd jätte, följt av att den tappar ut dess yttre lager och blir en vit dvärg. Efter ytterligare några miljarder år med kylning kommer kristallinredningen att kristallisera och bli fast.
Fram till nyligen hade astronomer lite bevis för att säkerhetskopiera denna teori. Men tack vare ESA: s Gaia observatorium, astronomer kan nu observera hundratusentals vita dvärgstjärnor med enorm precision - mäta deras avstånd, ljusstyrka och färg. Detta i sin tur har gjort det möjligt för dem att studera vad framtiden innebär för vår sol när det inte längre är den varma gula stjärnan som vi känner och älskar idag.
Studien som beskriver dessa fynd nyligen dök upp i tidskriften Natur under rubriken "Kärnkristallisation och stapling i kylsekvensen för utvecklande vita dvärgar." Studien leddes av Pier-Emmanuel Tremblay, biträdande professor vid University of Warwick, och inkluderade flera forskare från Warwicks grupp Astronomi och astrofysik, Université de Montréal och University of North Carolina.
När det gäller stjärnutvecklingen har decennier av observationer kombinerat med teoretiska modeller gjort det möjligt för astronomer att dra slutsatsen vad som kommer att hända med en stjärna baserat på dess klassificering. Medan större stjärnor (som blå supergiganter) så småningom går supernova och blir neutronstjärnor eller svarta hål, kommer mindre stjärnor som vår sol att fälla ut sina yttre lager för att bli planetnebulor och slutligen slutföra deras livscykel som en vit dvärg.
Dessa ultratäta stjärnor fortsätter att avge strålning när de svalnar, en process som varar miljarder år. Så småningom kommer deras inre att vara tillräckligt coola - cirka 10 miljoner ° C (50 miljoner ° F) - att det extrema trycket som utövas på deras kärnor kommer att få materialet där att kristallisera och bli fast. Det uppskattas att detta kommer att bli ödet för upp till 97% av stjärnorna i Vintergatan, medan resten blir neutronstjärnor eller svarta hål.
Eftersom vita dvärgar är bland de äldsta stjärnorna i universum, är de otroligt användbara för astronomer. Eftersom deras livscykel är förutsägbar, används de som ”kosmiska klockor” för att uppskatta åldern på grupper av angränsande stjärnor med en hög grad av noggrannhet. Men att bestämma vad som händer med vita dvärgar mot slutet av deras livscykel har varit utmanande.
Tidigare var astronomer begränsade när det gällde antalet vita dvärgar de kunde studera. Allt detta förändrades med implementeringen av Gaia, ett rymdobservatorium som har spenderat de senaste åren exakt att mäta positioner, avstånd och rörelser för stjärnor för att skapa den mest detaljerade 3D-rymdkatalog som någonsin gjorts.
Som Pier-Emmanuel Tremblay, en ERC * Starting Grant Fellow, indikerade i ett ESA-pressmeddelande:
”Tidigare hade vi avstånd för bara några hundra vita dvärgar och många av dem var i kluster, där de alla har samma ålder. Med Gaia har vi nu avstånd, ljusstyrka och färg på hundratusentals vita dvärgar för ett stort prov på den yttre skivan på Vintergatan, som spänner över en rad initiala massor och alla slags åldrar. ”
För sin studie använde astronomerna Gaia-data för att analysera mer än 15 000 stjärnkandidatkandidater inom 300 ljusår från Jorden. Från detta prov kunde de identifiera ett överskott i antalet stjärnor (alias en pileup) som hade specifika färger och ljusstyrkor som inte motsvarade någon enda massa eller ålder.
En gång i jämförelse med evolutionära modeller av stjärnor tycktes det sammanfalla med utvecklingsstadiet där stjärnor tappar värme i stora mängder. Denna process bromsar den naturliga kylningsprocessen och får de döda stjärnorna att sluta dimma, vilket gör att de verkar upp till 2 miljarder år yngre än de faktiskt är.0
"Detta är det första direkta beviset på att vita dvärgar kristalliserar eller övergår från vätska till fast ämne", förklarade Tremblay i ett pressmeddelande från Warwick. "Det förutsades för femtio år sedan att vi borde observera en höjning i antalet vita dvärgar vid vissa ljus och färger på grund av kristallisation och först nu har detta observerats."
Detta mönster, där ljusstyrkan inte är relaterad till ålder, var en av de viktigaste förutsägelserna om kristalliserande vita dvärgar för 50 år sedan. Nu när astronomer har direkta bevis på denna process på jobbet, kommer det sannolikt att påverka vår förståelse av vilka stjärngrupper som vita dvärgar ska ingå i.
"Vita dvärgar används traditionellt för ålderdatering av stjärnpopulationer som stjärnor av stjärnor, den yttre skivan och halo i vår Vintergata," sa Tremblay. "Vi måste nu utveckla bättre kristallisationsmodeller för att få mer exakta uppskattningar av åldern på dessa system."
Till exempel, medan alla vita dvärgar kommer att kristallisera någon gång i sin utveckling, varierar tiden det tar beroende på stjärnan. Mer massiva vita dvärgar svalnar snabbare och når temperaturen vid vilken kristallisering inträffar förr (om cirka en miljard år). Mindre vita dvärgar, vilket är vad vår sol kommer att bli, kan behöva så mycket som sex miljarder år för att göra samma övergång.
"Detta innebär att miljarder vita dvärgar i vår galax redan har slutfört processen och är i huvudsak kristalsfärer på himlen," sade Tremblay. Samtidigt kan vår sol förväntas genomgå denna övergång om ytterligare tio miljarder år. Vid den tidpunkten kommer vår sol att ha lämnat sin Red Giant Branch-fas, blivit en vit dvärg och börjat kristallisationsprocessen.
Detta är bara den senaste uppenbarelsen som kommer från Gaia mission, som har tillbringat de senaste fem åren katalogisering av himmelsföremål i Vintergatan och angränsande galaxer. Innan uppdraget avslutas (förväntas hända 2022) planeras ytterligare två dataleaser, med DR3-utgåvan planerad till 2021 och den slutliga utgåvan som fortfarande ska fastställas.
* Forskningen möjliggjordes tack vare finansiering från Europeiska forskningsrådet (ERC).
