Słońce w magnetycznym kryzysie wieku średniego — naukowcy wyjaśniają anomalię

Pełny tekst

W 2007 roku niemiecka astronom prof. Erika Böhm-Vitense, badając aktywność magnetyczną gwiazd, zauważyła wyraźny podział: młode gwiazdy wirują szybko i mają silne pola magnetyczne, starsze – wolniej i słabiej. Słońce nie pasowało do żadnej z grup . Prof. Böhm-Vitense zastanawiała się, czy ta osobliwość nie jest kluczowa dla powstania i przetrwania życia na Ziemi.

To pytanie zapoczątkowało dwie dekady badań nad zachowaniem Słońca . Dziś wiadomo, że nasza gwiazda wcale nie jest wyjątkiem – po prostu astronomowie nie rozumieli, jak gwiazdy wirują i generują pola magnetyczne w ciągu swojego życia. Jak mówi dr Travis Metcalfe z White Dwarf Research Corporation, wszystkie gwiazdy zachowują się podobnie, tylko inaczej, niż przewidywano . Obecne obserwacje i symulacje wskazują, że gwiazdy w średnim wieku – takie jak Słońce – przechodzą magnetyczny kryzys , podczas którego ich wielkoskalowe pole magnetyczne zaczyna słabnąć.

Konsekwencje tego zjawiska dla przyszłości Słońca są przedmiotem debaty. Jej wynik może mieć kluczowe znaczenie dla oceny , które gwiazdy mogą podtrzymywać życie na krążących wokół nich planetach.

Jak powstaje pole magnetyczne gwiazdy

Słońce to wirująca kula naładowanych cząstek „spalająca” wodór. Ruch ładunków elektrycznych tworzy „dynamo” generujące globalne pole magnetyczne z biegunami – działające jak ogromny magnes . Ponieważ równik obraca się szybciej niż bieguny, pole magnetyczne skręca się niczym gumka recepturka, a okresowe rozładowania napięcia wywołują rozbłyski i zorze polarne .

W latach 70. XX wieku odkryto, że pole magnetyczne działa też jak hamulec, stopniowo spowalniając obrót gwiazdy . Na tej podstawie dr Sydney Barnes zaproponował „gyrochronologię” – metodę szacowania wieku gwiazd na podstawie prędkości ich rotacji.

Metoda sprawdzała się dobrze dla młodszych gwiazd, jednak w 2016 roku dr Metcalfe z zespołem wykazali, że starsze gwiazdy nie zwalniają zgodnie z przewidywaniami. Zamiast tego utrzymują względnie stałą prędkość, jakby włączyły „tempomat”. Obserwacja ta budziła początkowo wątpliwości, ale z czasem przekonała nawet sceptyków, takich jak dr Barnes.

Zanikające dynamo

Zespół dr. Metcalfe’a zaproponował wyjaśnienie : pole magnetyczne gwiazdy hamuje jej rotację tylko do pewnego etapu – mniej więcej połowy zapasu wodoru w jądrze. Później gwiazda wiruje zbyt wolno, by podtrzymać dynamo, i pole zaczyna zanikać .

Aby to zweryfikować, naukowcy zebrali dane o jasności rentgenowskiej, rotacji i sile pola magnetycznego 17 gwiazd w różnym wieku, korzystając z Wielkiego Teleskopu Lornetkowego (Large Binocular Telescope) w Arizonie. W pracy z 2025 roku wykazali, że mniej więcej w połowie życia gwiazd siła ich globalnego pola magnetycznego gwałtownie spada – nawet stukrotnie w porównaniu z gwiazdami młodszymi o kilka miliardów lat. Słońce znajduje się dokładnie na tej granicy . Zdaniem dr. Metcalfe’a oznacza to, że obserwujemy powolne wygasanie dynama Słońca, które potrwa przez całą drugą połowę jego życia.

Część astronomów uważa tę interpretację za dobrze uzasadnioną fizycznie. Inni, jak dr Barnes, są bardziej sceptyczni i sądzą, że te same dane można zinterpretować inaczej.

Alternatywna teoria: gwiezdne odrodzenie

Dr Allan Sacha Brun z Uniwersytetu Paris-Saclay, korzystając z symulacji komputerowych, wskazuje inną możliwość. Jeśli gwiazda zwolni obrót wystarczająco mocno, jej bieguny mogą zacząć wirować szybciej niż równik, co wzmocni pole magnetyczne i uruchomi nowe dynamo – już bez cyklicznej aktywności. Innymi słowy, spadek mocy pola może być tymczasowym minimum , a nie trwałym zanikiem.

Dr Brun sugeruje też, że zmiana kształtu pola – z prostego dipola (jak magnes sztabkowy) na bardziej złożone układy wielobiegunowe – może tłumaczyć obserwowany spadek. Już w 2018 roku dr Cecilia Garraffo z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics apelowała o zmianę podejścia do złożoności pól magnetycznych gwiazd.

Na spotkaniu naukowym w Tokio w czerwcu dr Metcalfe zaproponował spójną sekwencję: gwiazda zaczyna swe życie z chaotycznym, złożonym polem magnetycznym , które z wiekiem układa się w silny dipol spowalniający rotację. W połowie życia gwiazdy obrót jest już tak wolny, że pole ponownie się komplikuje, co przerywa dalsze hamowanie ruchu obrotowego. Gdy gwiazda wyczerpuje paliwo i zaczyna się rozszerzać, obrót zwalnia jeszcze bardziej, aż znów pojawia się dipol. W kwietniu zaobserwowano gwiazdę w konstelacji Orła , będącą na późniejszym etapie ewolucji niż Słońce, o silnym i stabilnym polu magnetycznym – zgodnie z przewidywaniami symulacji dr. Bruna. Sam uczony zastrzega jednak, że sprawa nie jest jeszcze definitywnie rozstrzygnięta.

Dlaczego to ważne dla poszukiwań życia

Aktywność magnetyczna gwiazdy kształtuje warunki panujące na krążących wokół niej planetach. Jeśli słuszna jest teoria dr. Metcalfe’a, w najbliższych miliardach lat pogoda kosmiczna na Ziemi będzie się stopniowo uspokajać. Jeśli rację ma dr Brun, czeka nas w odległej przyszłości nasilenie aktywności słonecznej i częstsze burze geomagnetyczne .

Wnioski wykraczają poza Układ Słoneczny . Spójny model ewolucji magnetycznej gwiazd mógłby pomóc ocenić, które odległe układy planetarne mają szansę na życie. Na początku lat 40. XXI wieku NASA planuje wystrzelić Habitable Worlds Observatory, którego celem będzie bezpośrednie obrazowanie planet podobnych do Ziemi . Aby wybrać właściwe cele, naukowcy muszą wiedzieć, które gwiazdy są najbardziej obiecujące – stąd rosnące zainteresowanie ich historią magnetyczną.

Przykładem jest TRAPPIST-1, gwiazda z siedmioma skalistymi egzoplanetami w strefie umożliwiającej istnienie wody w stanie ciekłym. Symulacje pogody kosmicznej wokół tego układu, przeprowadzone przez dr Garraffo i dr. Jeremy’ego Drake’a z Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory pokazały jednak, że cząstki wiatru słonecznego mogą tam pozbawiać planety atmosfery, niszcząc szanse na życie w znanej nam formie.

Dr Patrick Young, zaangażowany w planowanie misji HWO, uważa historię aktywności magnetycznej gwiazdy za użyteczne kryterium selekcji celów obserwacyjnych. Zanim jednak astronomowie będą mogli doradzać w poszukiwaniach życia pozaziemskiego, muszą lepiej zrozumieć same mechanizmy rotacji gwiazd. Jak przyznaje Barnes, mimo dekad badań wciąż jesteśmy dopiero na początku tej drogi.

Źródło: National Geographic

Chcesz znaleźć więcej inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler .