Het raden van je leeftijd is misschien een populair carnavalsspel, maar voor astronomen is het een echte uitdaging om de leeftijd van sterren te bepalen. Als een ster als onze zon eenmaal in een stabiele kernfusie is beland, of in de volwassen fase van zijn leven is beland, verandert er miljarden jaren weinig meer. Een uitzondering op die regel is de rotatieperiode van de ster:hoe snel hij ronddraait. Door de rotatieperioden van honderdduizenden sterren te meten, belooft NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope nieuwe inzichten te verschaffen in de sterrenpopulaties in ons Melkwegstelsel nadat deze in mei 2027 is gelanceerd.

Sterren worden snel ronddraaiend geboren. Sterren met de massa van onze zon of kleiner zullen echter over miljarden jaren geleidelijk langzamer gaan draaien. Die vertraging wordt veroorzaakt door interacties tussen een stroom geladen deeltjes die bekend staat als de sterrenwind en het magnetische veld van de ster zelf. Door de interacties wordt het impulsmoment weggenomen, waardoor de ster langzamer gaat draaien, net zoals een schaatser langzamer gaat draaien als hij zijn armen uitstrekt.

Dit effect, magnetisch remmen genoemd, varieert afhankelijk van de sterkte van het magnetische veld van de ster. Sneller draaiende sterren hebben sterkere magnetische velden, waardoor ze sneller vertragen. Door de invloed van deze magnetische velden zullen sterren van dezelfde massa en leeftijd na ongeveer een miljard jaar met dezelfde snelheid ronddraaien. Als u dus de massa en rotatiesnelheid van een ster kent, kunt u mogelijk de leeftijd ervan schatten. Door de leeftijden van een grote populatie sterren te kennen, kunnen we bestuderen hoe ons sterrenstelsel in de loop van de tijd is gevormd en geëvolueerd.

Stellaire rotatie meten

Hoe meten astronomen de rotatiesnelheid van een verre ster? Ze zoeken naar veranderingen in de helderheid van de ster als gevolg van sterrenvlekken. Sterrenvlekken zijn, net als zonnevlekken op onze zon, koelere, donkerdere plekken op het oppervlak van een ster. Wanneer een sterrenvlek in zicht is, zal de ster iets zwakker zijn dan wanneer de vlek zich aan de andere kant van de ster bevindt.

Als een ster één enkele grote vlek heeft, ervaart hij een regelmatig patroon van verduistering en helderheid naarmate de vlek in en uit het zicht draait. (Dit dimmen kan worden onderscheiden van een soortgelijk effect dat wordt veroorzaakt door een passerende exoplaneet.) Maar een ster kan op elk moment tientallen vlekken over het oppervlak hebben verspreid, en die vlekken variëren in de loop van de tijd, waardoor het veel moeilijker wordt om periodieke vlekken te onderscheiden. signalen van dimmen door de rotatie van de ster.

Kunstmatige intelligentie toepassen

Een team van astronomen van de Universiteit van Florida ontwikkelt nieuwe technieken om een ​​rotatieperiode te bepalen uit metingen van de helderheid van een ster in de loop van de tijd.

Ze gebruiken een soort kunstmatige intelligentie die bekend staat als een convolutioneel neuraal netwerk om lichtcurven, of grafieken van de helderheid van een ster, in de loop van de tijd te analyseren. Om dit te doen moet het neurale netwerk eerst getraind worden op gesimuleerde lichtcurven. Zachary Claytor, postdoctoraal medewerker van de Universiteit van Florida, de hoofdonderzoeker van het project, schreef een programma met de naam 'butterpy' om zulke lichte curven te genereren.

“Met dit programma kan de gebruiker een aantal variabelen instellen, zoals de rotatiesnelheid van de ster, het aantal vlekken en de levensduur van de vlek. Vervolgens berekent het hoe vlekken ontstaan, evolueren en vergaan terwijl de ster draait en die vlekevolutie omzetten in een lichte curve – wat we van een afstand zouden meten", legt Claytor uit.

Het team heeft hun getrainde neurale netwerk al toegepast op gegevens van NASA's TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Systematische effecten maken het een grotere uitdaging om langere rotatieperioden van sterren nauwkeurig te meten. Toch kon het getrainde neurale netwerk van het team deze langere rotatieperioden nauwkeurig meten met behulp van de TESS-gegevens.

Het sterrenonderzoek van Roman

De komende Romeinse ruimtetelescoop zal gegevens verzamelen van honderden miljoenen sterren via de Galactic Bulge Time Domain Survey, een van de drie kernonderzoeken die de telescoop zal uitvoeren. Roman zal naar het centrum van onze Melkweg kijken – een gebied vol met sterren – om te meten hoeveel van deze sterren in de loop van de tijd in helderheid veranderen. Deze metingen zullen meerdere wetenschappelijke onderzoeken mogelijk maken, van het zoeken naar verre exoplaneten tot het bepalen van de rotatiesnelheid van de sterren.

Het specifieke onderzoeksontwerp wordt nog steeds ontwikkeld door de astronomische gemeenschap. Het onderzoek naar de rotatie van sterren belooft potentiële onderzoeksstrategieën te helpen ontwikkelen.

"We kunnen testen welke dingen er toe doen en wat we uit de Romeinse gegevens kunnen halen, afhankelijk van verschillende onderzoeksstrategieën. Dus als we de gegevens daadwerkelijk krijgen, hebben we al een plan", zegt Jamie Tayar, assistent-professor astronomie aan het Universiteit van Florida en de hoofdonderzoeker van het programma.

"We hebben al veel tools en we denken dat ze kunnen worden aangepast aan Roman", voegde ze eraan toe.

Geleverd door Space Telescope Science Institute