Astronomen verwijzen gewoonlijk naar massieve sterren als de chemische fabrieken van het heelal. Ze eindigen hun leven over het algemeen in spectaculaire supernova's, gebeurtenissen die veel van de elementen op het periodiek systeem smeden. Hoe elementaire kernen zich vermengen in deze enorme sterren heeft een grote invloed op ons begrip van hun evolutie voorafgaand aan hun explosie. Het vertegenwoordigt ook de grootste onzekerheid voor wetenschappers die hun structuur en evolutie bestuderen.

Een team van astronomen onder leiding van May Gade Pedersen, een postdoctoraal onderzoeker aan het Kavli Institute for Theoretical Physics van UC Santa Barbara, hebben nu de interne vermenging binnen een ensemble van deze sterren gemeten met behulp van waarnemingen van golven vanuit hun diepe binnenste. Hoewel wetenschappers deze techniek eerder hebben gebruikt, dit artikel is de eerste keer dat dit voor zo'n grote groep sterren tegelijk is gelukt. De resultaten, gepubliceerd in Natuurastronomie , laten zien dat de interne vermenging zeer divers is, zonder duidelijke afhankelijkheid van de massa of leeftijd van een ster.

Sterren brengen het grootste deel van hun leven door met het samensmelten van waterstof tot helium diep in hun kernen. Echter, de fusie in bijzonder massieve sterren is zo geconcentreerd in het centrum dat het leidt tot een turbulente convectieve kern die lijkt op een pot kokend water. Convectie, samen met andere processen zoals rotatie, verwijdert effectief heliumas uit de kern en vervangt deze door waterstof uit de envelop. Hierdoor kunnen de sterren veel langer leven dan anders voorspeld.

Astronomen geloven dat deze vermenging voortkomt uit verschillende fysieke verschijnselen, zoals interne rotatie en interne seismische golven in het plasma dat wordt opgewekt door de convecterende kern. Echter, de theorie is grotendeels niet beperkt gebleven door waarnemingen omdat het zo diep in de ster voorkomt. Dat gezegd hebbende, er is een indirecte methode om in sterren te turen:asteroseismologie, de studie en interpretatie van stellaire oscillaties. De techniek heeft parallellen met hoe seismologen aardbevingen gebruiken om het binnenste van de aarde te onderzoeken.

"De studie van stellaire oscillaties daagt ons begrip van stellaire structuur en evolutie uit, "Zei Pedersen. "Ze stellen ons in staat om de sterreninterieurs direct te onderzoeken en vergelijkingen te maken met de voorspellingen van onze sterrenmodellen."

Pedersen en haar medewerkers van de KU Leuven, de Universiteit Hasselt, en de Universiteit van Newcastle hebben de interne vermenging voor een ensemble van dergelijke sterren kunnen afleiden met behulp van asteroseismologie. Dit is de eerste keer dat een dergelijke prestatie is bereikt, en was alleen mogelijk dankzij een nieuw monster van 26 langzaam pulserende B-type sterren met geïdentificeerde stellaire oscillaties van NASA's Kepler-missie.

Langzaam pulserende B-sterren zijn drie tot acht keer zo zwaar als de zon. Ze zetten uit en krimpen in op tijdschalen in de orde van 12 uur tot 5 dagen, en kan de helderheid tot 5% wijzigen. Hun oscillatiemodi zijn bijzonder gevoelig voor de omstandigheden in de buurt van de kern, Pedersen uitgelegd.

"De interne vermenging in sterren is nu observationeel gemeten en blijkt divers te zijn in onze steekproef, met sommige sterren die bijna geen vermenging hebben, terwijl andere niveaus onthullen die een miljoen keer hoger zijn, " zei Pedersen. De diversiteit blijkt niet gerelateerd te zijn aan de massa of leeftijd van de ster. Integendeel, het wordt voornamelijk beïnvloed door de interne rotatie, al is dat niet de enige factor die meespeelt.

"Deze asteroseismische resultaten stellen astronomen eindelijk in staat om de theorie van interne vermenging van massieve sterren te verbeteren, die tot nu toe ongekalibreerd is gebleven door waarnemingen die rechtstreeks uit hun diepe binnenste kwamen, " voegde ze eraan toe.

De precisie waarmee astronomen stellaire oscillaties kunnen meten, hangt rechtstreeks af van hoe lang een ster wordt waargenomen. Het verhogen van de tijd van één nacht naar één jaar resulteert in een duizendvoudige toename van de gemeten precisie van oscillatiefrequenties.

"May en haar medewerkers hebben op een nieuwe en diepgaande manier echt de waarde aangetoond van asteroseismische waarnemingen als sondes van het diepe binnenste van sterren, " zei KITP-directeur Lars Bildsten, de Gluck hoogleraar theoretische fysica. "Ik ben opgewonden om te zien wat ze vervolgens vindt."

De beste gegevens die hiervoor momenteel beschikbaar zijn, zijn afkomstig van de Kepler-ruimtemissie, die gedurende vier ononderbroken jaren hetzelfde stukje hemel observeerde. De langzaam pulserende B-sterren waren de pulserende sterren met de hoogste massa die de telescoop heeft waargenomen. Hoewel de meeste hiervan iets te klein zijn om supernova te worden, ze delen dezelfde interne structuur als de meer massieve stellaire chemische fabrieken. Pedersen hoopt dat inzichten die zijn verkregen door het bestuderen van de B-type sterren licht zullen werpen op de innerlijke werking van hun hogere massa, O-type tegenhangers.

Ze is van plan gegevens van NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) te gebruiken om groepen oscillerende zware sterren in OB-verenigingen te bestuderen. Deze groepen omvatten 10 tot meer dan 100 massieve sterren tussen 3 en 120 zonsmassa's. Sterren in OB-associaties worden geboren uit dezelfde moleculaire wolk en delen dezelfde leeftijd, ze legde uit. De grote steekproef van sterren, en beperking van hun gemeenschappelijke leeftijden, biedt spannende nieuwe mogelijkheden om de interne mengeigenschappen van zware sterren te bestuderen.

Naast het onthullen van de processen die verborgen zijn in stellaire interieurs, onderzoek naar stellaire oscillaties kan ook informatie opleveren over andere eigenschappen van de sterren.

"De stellaire oscillaties stellen ons niet alleen in staat om de interne vermenging en rotatie van de sterren te bestuderen, maar bepalen ook andere stellaire eigenschappen zoals massa en leeftijd, Pedersen legde uit. "Hoewel dit beide twee van de meest fundamentele stellaire parameters zijn, ze zijn ook enkele van de moeilijkst te meten."