In zijn zoektocht naar planeten buiten het zonnestelsel, de Kepler-ruimtetelescoop zoekt naar sterren waarvan de lichtstroom periodiek afneemt, signalering van het passeren van een in een baan om de ster draaiende planeet. Maar de timing en duur van episoden van verminderde lichtstroom die Kepler ontdekte afkomstig van KIC 846852, bekend als Tabby's ster, zijn een mysterie. Deze dimgebeurtenissen variëren in omvang en treden niet op met regelmatige tussenpozen, waardoor een planeet in een baan om de aarde een onwaarschijnlijke verklaring is. De bron van deze ongewone verduisterende gebeurtenissen is het onderwerp van intense speculatie.

Suggesties van astronomen, astrofysici, en amateur-sterrenkijkers varieerden van asteroïdengordels tot buitenaardse activiteiten.

Nu is een team van wetenschappers aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign - afgestudeerde natuurkundestudent Mohammed Sheikh, werken met professoren Karin Dahmen en Richard Weaver - bieden een geheel nieuwe oplossing voor de Tabby's star-puzzel. Ze suggereren dat de helderheidsvariaties intrinsiek kunnen zijn aan de ster zelf. Tabby's ster is in de meeste opzichten een standaard F-klasse ster, gelegen in het sterrenbeeld Cygnus, ongeveer 1, 276 lichtjaar van de aarde. De ongebruikelijke lichtcurve - de grafiek van de lichtintensiteit als functie van de tijd - toont intense dimmingsgebeurtenissen tot 20 procent, onderbroken door kleinere onregelmatige dim-gebeurtenissen.

Wever opmerkingen, "Er zijn een paar veelbetekenende tekenen van occultatie, of dimmen door een onafhankelijke instantie die het zicht blokkeert. De belangrijkste is periodiciteit. In Tabby's ster, de kleine en grote gebeurtenissen zijn niet periodiek - ze komen niet met regelmatige tussenpozen voor - en dit is een van de centrale mysteries van de lichtcurve. "

Het Illinois-team paste een statistische analyse toe op de kleinere onregelmatige variaties van de lichtcurve. Wat ze vonden is een wiskundig patroon dat consistent is met een beproefd lawinemodel:de kleinere dimgebeurtenissen zijn het "knetterende geluid" of kleine lawines die worden waargenomen tijdens de tijdsintervallen tussen de grotere lawines, gelijkgesteld aan de grotere dim-evenementen. De kleine dimgebeurtenissen zijn er in een opmerkelijk breed scala aan maten, die worden verdeeld volgens een eenvoudige schaalwet. Deze resultaten suggereren dat de dimgebeurtenissen intrinsiek kunnen zijn aan Tabby's ster en dat de ster zich in de buurt van het kritieke punt van een onderliggende continue faseovergang kan bevinden.

Sheikh voerde de berekeningen uit voor de analyse van de waarnemingsgegevens. Hij legt de wiskundige methode uit, die begint met het vaststellen van een mediane dimdrempel over de lichtcurve.

"De drempel is een kunstgreep die we gebruiken om te definiëren wat een lawine is in de context van de lichtcurve. In feite, de statistieken zijn behoorlijk robuust tot waar we de drempel kiezen, dus de exacte waarde is niet belangrijk. Wat belangrijk is, is dat we genoeg lawines krijgen om statistieken te maken.

Zodra de lichtcurve onder de drempel zakt, wij beschouwen zo'n gebeurtenis als het begin van een lawine. Terwijl de lichtcurve onder de drempel blijft, gaat de lawine door, en het stopt wanneer het weer stijgt tot een waarde boven de drempel."

Lawines hebben twee belangrijke eigenschappen, grootte en duur. De maat is het totale oppervlak dat wordt omsloten door de lichtcurve (onder de drempel) en de drempel.

De grootte van de lawine, " vervolgt sjeik, "is gerelateerd aan de netto afname van de energie die door de ster wordt uitgestraald tijdens het dimmen, in vergelijking met een constante emissiesnelheid van de ster, of de constante drempelwaarde. De lawineduur is de lengte van het evenement. We kijken ook naar de spectrale vermogensdichtheid, die gerelateerd is aan hoeveel vermogen per frequentie-eenheid in de lichtcurve zit.

"In principe, we kijken naar de statistische verdelingen van de fluctuaties. Aan al deze dingen zijn machtswetten verbonden. Dit geeft ons een onafhankelijke manier om de gebeurtenissen te interpreteren en de consistentie met het model te controleren."

Machtswetten hebben het interessante kenmerk dat ze er op verschillende schalen hetzelfde uitzien. Dus als je inzoomt op kleine schalen en korte tijden, krijg je dezelfde soorten statistische verdelingen als wanneer je uitzoomt op grotere schalen en langere tijden. Machtswetten weerspiegelen de zelfgelijkenis van het systeem over een groot aantal lengte- en tijdschalen - vergelijkbaar met fractals - die er hetzelfde uitzien als je in- of uitzoomt.

aanzienlijk, de statistieken van de kleinere dimming-gebeurtenissen van Tabby star komen overeen met de voorspellingen van een schaaltheorie. In haar oeuvre, Dahmen heeft vastgesteld dat een schaalpatroon van kleine gebeurtenissen onderbroken door grotere gebeurtenissen typerend is voor systemen in de buurt van een faseovergang. Ze heeft dit gezien in de intermitterende vervormingsdynamiek van nanokristallen, de gebeurtenisstatistieken van metalen glazen, rotsen, en korrelige materialen, en bij aardbevingen op veel grotere schalen die 12 decennia lang duren. Soortgelijke soorten lawines worden ook gezien bij lawines die neuronen afvuren in de hersenen, in magnetische systemen, en in veel andere systemen van gecondenseerde materie.

"We weten van andere systemen in de buurt van faseovergangen zonder evenwicht dat een systeem kleine gebeurtenissen kan hebben die schaalvergroting van de machtswet laten zien en grote gebeurtenissen met een verschillende dynamiek, Dahmen legt uit. "Voorbeelden van dergelijke overgangen zijn magnetische systemen die langzaam worden aangedreven met een magnetisch veld, of de langzame vervorming van enigszins brosse materialen waarbij er vaak eerst een klein gekraak is dat luider en luider wordt totdat er een grote klik is wanneer het materiaal breekt." "De kleine gebeurtenissen in onze steranalyse zouden zijn als de kleine kraakjes terwijl de grote gebeurtenissen zou de analoog zijn van de grote snap, " vervolgt ze. "Ons gemiddelde veldmodel is in staat om beide te verklaren, kleine evenementen en grote. Het heeft een ingebouwd 'verzwakkingsmechanisme' dat verklaart waarom er twee soorten lawines zouden moeten zijn."

Als de dimgebeurtenissen verband houden met een naderende faseovergang, waar zou de ster naartoe gaan en in welk tijdsbestek? Wever legt uit, "Naarmate er meer gegevens worden geanalyseerd, hopen we dat het mogelijk zal zijn om precies te identificeren wat voor soort overgang dit is. We hebben niet voldoende inzicht om een ​​definitief antwoord te krijgen, en er zijn meer waarnemingen nodig. We kunnen alleen maar speculeren over wat zo'n overgang zou zijn."

"Het is belangrijk op te merken - gebrek aan periodiciteit alleen is niet genoeg om occultatie uit te sluiten. Dat is een deel van de reden waarom theorieën zoals kometen of planetair puin zo populair zijn. We kunnen deze dingen niet absoluut uitsluiten met onze bevindingen, maar we kunnen zeggen dat de machtswetten die we hebben verkregen meer consistent zijn met intrinsieke variatie."

Dahmen voegt eraan toe, "Ons werk geeft een raamwerk voor het analyseren van de gegevens en misschien zelfs voor het classificeren van sterren in hoe dichtbij of hoe ver de sterren verwijderd zijn van een dergelijke overgang. Deze statistische analysetools zijn getest en met succes toegepast op lawineruis in magnetische systemen en plastische vervorming We vervoeren deze instrumenten naar de astrofysica om meer te leren over de dynamiek van sterren en uiteindelijk om verschillende sterren te vergelijken.

"Als volgende stap zijn we van mening dat hetzelfde type analyse moet worden toegepast op andere sterren om te zien hoe universeel deze fluctuatiestatistieken zijn tussen de sterren die al bekend zijn. Met andere woorden, we zouden de statistieken van de ruis in de lichtcurven in deze sterren om iets te leren over de dynamische processen die in de ster plaatsvinden."

Dit onderzoek is gepubliceerd in het 19 december nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .