Nuoren lähitähden pyöriminen hämmästyttää tutkijoita

Auringossa pyöriminen on nopeinta päiväntasaajalla ja pinnan pyörimisnopeus putoaa hitaasti kohti napa-alueita mentäessä. Nuori lähitähti, meistä noin 115 valovuoden etäisyydellä Herkuleen tähdistössä sijaitseva V889 Herculis, kuitenkin pyörii nopeimmin noin 40. leveyspiirin kohdalla pyörimisen ollessa hitaampaa sekä sen päiväntasaajalla että napa-alueilla.

Vastaavaa pyörimistä ei ole havaittu aiemmin miltään muulta tähdeltä. Havainto hämmästyttää, koska tähtien pyöriminen on perustavanlaatuinen tekijä, jonka on ajateltu olevan hyvin ymmärrettyä, mutta edes tietokonesimulaatioilla ei ole kyetty ennustamaan havaitun kaltaista pyörimistä.

– Sovelsimme uutta menetelmää tähteen, jota Helsingin yliopistossa oli tutkittu jo vuosia. Emme osanneet arvata, että tähden pyörimisessä voisi esiintyä tällaisia poikkeamia. Havaitsemamme poikkeamat kertovat siitä, että ymmärryksemme tähtien dynamiikasta ja magneettisesta dynamosta ovat selvästi puutteellisia, tutkimusta koordinoinut tähtitieteen tutkija Mikko Tuomi kertoo.

Plasmapallon dynamiikka

V889 Herculis on kuin nuori Aurinko, joten se kertoo osaltaan siitä, miten oma tähtemme on käyttäytynyt nuoruudessaan. Tuomi korostaa, miten oleellista tähtien fysiikan ymmärtäminen on yrittäessämme ennustaa vaikkapa Auringon aktiivisuutta, kuten sen pilkkurakennetta ja purkauksia.

Tähdet ovat plasmasta, eli sähköisesti varattujen hiukkasten aineksesta, koostuvia pallomaisia taivaankappaleita. Ne ovat ytimen fuusioreaktioissa tuotetun energian luoman paineen ja oman vetovoiman välisen tasapainotilan aikaansaamia dynaamisia kokonaisuuksia. Niillä ei ole kiinteää pintaa kuten monilla planeetoilla.

Tähtien epätasaisessa pyörimisessä on kyseessä differentiaalirotaatioksi kutsuttu ilmiö, joka johtuu siitä, että kuumempaa ja tiheydeltään alhaisempaa plasmaa nousee kohti tähden pintaa. Liike vaikuttaa paikalliseen pyörimiseen eri tavoin päiväntasaajalla ja napa-alueilla. Syynä ilmiöön on liikemäärän säilyminen sekä se, että konvektioliike tapahtuu päiväntasaajalla kohtisuorassa pyörimisakseliin nähden mutta navoilla liike on akselin suhteen samansuuntaista.

Monet yksityiskohdat, kuten tähden massa, ikä, koostumus, pyörähdysaika ja magneettikenttä muuttavat kuitenkin tähden pyörimisen yksityiskohtia ja aiheuttavat eroavaisuuksia erilaisten tähtien differentiaalirotaatioon.

Tilastollinen menetelmä pyörimisprofiilin määritykseen

Tutkimukseen osallistunut Helsingin yliopiston tähtitieteen dosentti Thomas Hackman kertoo, että tähän asti ainoastaan Auringon differentiaalirotaatio on pystytty havaitsemaan tarkasti.

– Tähden differentiaalirotaatio on hyvin keskeinen parametri, joka vaikuttaa tähden magneettisen aktiivisuuteen. Ryhmämme kehittämä menetelmä avaa uusia mahdollisuuksia tutkia muiden tähtien fysiikkaa.

Helsingin yliopiston hiukkas- ja astrofysiikan laitoksen tutkijat mallinsivat kahden nuoren lähitähden kirkkaushavaintoja kymmenien vuosien ajalta käyttämällä uutta tilastollista menetelmää, ja määrittivät näin kyseisten tähtien pyörimistä. Mallissa tähden pinnan mukana liikkuvien suurikokoisten tähdenpilkkujen aiheuttamia jaksollisia muutoksia tähden kirkkaudessa pyritään selittämään pilkkujen sijainnilla ja erilaisella liikkeellä eri leveyspiireillä. Pilkkujen liikkeen perusteella voidaan arvioida tähden pyörimisprofiilia.

Toinen tutkimuksessa tutkituista tähdistä, vesikäärmeen tähdistön LQ Hydrae, osoittautui pyörivän likimain kuten kiinteä kappale – sen pyörähtelyssä ei havaittu poikkeamia päiväntasaajalta navoille, mikä viittaa tähden pyörimisen poikkeamien olevan hyvin pieniä.

Loistava aineisto Fairbornen observatoriosta

Tutkijat perustivat havaintonsa yhdysvaltalaisen Fairbornen observatorion havaintoihin kohteena olleista tähdistä. Kohteita on havaittu observatorion automaattisilla teleskoopeilla noin 30 vuoden ajan, mikä tarjoaa mainion ikkunan tähtien käyttäytymiseen pitkältä aikaväliltä.

Tuomi jakaa kiitosta Fairbornen observatorion havaintokampanjasta vastuussa olevalle senioritutkija Gregory Henrylle Tennesseen yliopistosta, Yhdysvalloista.

– Gregin käynnistämä havaintoprojekti on ollut vuosien ajan mainio tietolähde lähitähtien käyttäytymisestä. Oli kyse sitten nuorista aktiivisista tähdistä kuten tässä tapauksessa, tai tähdistä, joiden ympäriltä on havaittu planeettakuntia, Fairbornen observatorion havainnot ovat olleet avainroolissa tähtien käyttäytymisen ja ominaisuuksien selvittämisessä. On hurjaa, että vielä suurten avaruusteleskooppien aikakautena pienillä 40 senttimetrin läpimittaisilla maanpäällisillä teleskoopeilla tehdyt järjestelmälliset havaintokampanjat voivat tuottaa perustavanlaatuista tietoa tähtien fysiikasta.

Kohteiksi valitut V889 Herculis ja LQ Hydrae ovat molemmat noin 50 miljoonan vuoden ikäisiä tähtiä, jotka muistuttavat ominaisuuksiltaan nuorta Aurinkoa. Ne molemmat myös pyörivät vinhasti pyörähdysaikojen ollessa vain noin puolitoista päivää. Siksi pitkiin havaintosarjoihin mahtuu suuri määrä pyörähdyssyklejä. Tähdet valikoituivat tutkimuskohteiksi, koska niistä on olemassa kattavia havaintosarjoja ja koska niitä on tutkittu aktiivisesti Helsingin yliopistossa aiemminkin.

Alkuperäinen artikkeli: Mikko Tuomi, J. Jyri Lehtinen, W. Gregory Henry, Thomas Hackman. Characterising the stellar differential rotation based on largest-spot statistics from ground-based photometry. A&A, 2024. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449861

Lisätietoa

Tutkija Mikko Tuomi, Helsingin yliopisto, p. 040 500 7454, mikko.tuomi@helsinki.fi

Dosentti, yliopistotutkija Thomas Hackman, Helsingin yliopisto, thomas.hackman@helsinki.fi

Tutkijatohtori Jyri Lehtinen, Turun yliopisto (FINCA) ja Helsingin yliopisto, jyri.j.lehtinen@helsinki.fi