Это изображение нашего Солнца было получено в августе 2012 года Обсерваторией солнечной динамики НАСА. На нем видно множество солнечных пятен. На других звездах также наблюдаются звездные пятна, из-за которых наблюдаемая яркость звезды меняется по мере того, как пятна появляются и исчезают из поля зрения. Измеряя эти изменения яркости, астрономы могут сделать вывод о периоде вращения звезды. Космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Роман будет собирать данные о яркости сотен тысяч звезд, расположенных в направлении центра нашей галактики Млечный Путь, и получать информацию об их скорости вращения. Кредит: НАСА
Угадать свой возраст, возможно, популярная карнавальная игра, но для астрономов определить возраст звезд — настоящая проблема. Как только звезда, подобная нашему Солнцу, переходит в устойчивый ядерный синтез или в зрелую фазу своей жизни, она мало меняется в течение миллиардов лет. Единственным исключением из этого правила является период вращения звезды, то есть скорость ее вращения. Измеряя периоды вращения сотен тысяч звезд, римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс обещает дать новое понимание звездного населения в нашей галактике Млечный Путь после его запуска к маю 2027 года.
Звезды рождаются, быстро вращаясь. Однако звезды с массой нашего Солнца или меньше будут постепенно замедляться в течение миллиардов лет. Это замедление вызвано взаимодействием между потоком заряженных частиц, известным как звездный ветер, и собственным магнитным полем звезды. Взаимодействия устраняют угловой момент, заставляя звезду вращаться медленнее, подобно тому, как фигурист замедляется, когда вытягивает руки.
Этот эффект, называемый магнитным торможением, варьируется в зависимости от силы магнитного поля звезды. Звезды, вращающиеся быстрее, имеют более сильные магнитные поля, что заставляет их замедляться быстрее. Благодаря влиянию этих магнитных полей примерно через миллиард лет звезды одинаковой массы и возраста будут вращаться с одинаковой скоростью. Следовательно, если вы знаете массу звезды и скорость вращения, вы потенциально можете оценить ее возраст. Зная возраст большого количества звезд, мы можем изучить, как наша галактика формировалась и развивалась с течением времени.
Измерение вращения звезды
Как астрономы измеряют скорость вращения далекой звезды? Они ищут изменения в яркости звезды из-за звездных пятен. Звездные пятна, как и солнечные пятна на нашем Солнце, представляют собой более холодные и темные пятна на поверхности звезды. Когда звездное пятно находится в поле зрения, звезда будет немного тусклее, чем когда пятно находится на дальней стороне звезды.
Если на звезде есть одно большое пятно, оно будет регулярно тускнеть и становиться ярче по мере того, как пятно вращается и исчезает из поля зрения. (Это затемнение можно отличить от аналогичного эффекта, вызванного транзитом экзопланеты.) Но звезда может иметь десятки пятен, разбросанных по ее поверхности в любой момент времени, и эти пятна меняются со временем, что значительно затрудняет выявление периодических сигналы затемнения от вращения звезды.
Применение искусственного интеллекта
Команда астрономов из Университета Флориды разрабатывает новые методы определения периода вращения на основе измерений яркости звезды с течением времени.
Они используют тип искусственного интеллекта, известный как сверточная нейронная сеть, для анализа кривых блеска или графиков яркости звезды с течением времени. Для этого нейронную сеть сначала необходимо обучить на смоделированных кривых блеска. Постдокторант Университета Флориды Закари Клейтор, научный руководитель проекта, написал программу под названием «Butterpy» для создания таких кривых блеска.
«Эта программа позволяет пользователю устанавливать ряд переменных, таких как скорость вращения звезды, количество пятен и время жизни пятен. Затем она рассчитает, как пятна появляются, развиваются и распадаются по мере вращения звезды, и преобразует эту эволюцию пятен в кривая блеска — то, что мы измеряем на расстоянии», — объяснил Клейтор.
Команда уже применила свою обученную нейронную сеть к данным TESS (Транзитный спутник исследования экзопланет) НАСА. Систематические эффекты усложняют точное измерение более длительных периодов вращения звезд, однако обученная нейронная сеть команды смогла точно измерить эти более длительные периоды вращения, используя данные TESS.
На поверхности звезды одновременно могут быть разбросаны десятки пятен, что приводит к нерегулярным колебаниям яркости, из-за которых трудно выявить периодические сигналы затемнения из-за вращения звезды. Этот график данных программы Butterpy показывает, как наблюдаемая яркость моделируемой звезды будет меняться за один период вращения. Римский космический телескоп НАСА сможет измерять кривые блеска и, следовательно, скорости вращения сотен тысяч звезд, что позволит по-новому взглянуть на звездное население нашей галактики. Фото: НАСА, Ральф Кроуфорд (STScI).
Звездный опрос Романа
Будущий римский космический телескоп будет собирать данные сотен миллионов звезд с помощью исследования временной области галактического выступа, одного из трех основных исследований сообщества, которые он проведет. Роман посмотрит на центр нашей галактики — область, полную звезд, — чтобы измерить, как многие из этих звезд меняют яркость с течением времени. Эти измерения позволят проводить многочисленные научные исследования: от поиска далеких экзопланет до определения скорости вращения звезд.
Конкретный дизайн съемки все еще разрабатывается астрономическим сообществом. Исследование вращения звезд обещает помочь в разработке потенциальных стратегий исследования.
«Мы можем проверить, какие вещи имеют значение и что мы можем извлечь из римских данных в зависимости от различных стратегий исследования. Поэтому, когда мы действительно получим данные, у нас уже будет план», — сказал Джейми Тайяр, доцент кафедры астрономии в Институте астрономии. Университет Флориды и главный исследователь программы.
«У нас уже есть много инструментов, и мы думаем, что их можно адаптировать к Роману», — добавила она.
Информация от: Научным институтом космического телескопа.
