Selbst die ruhigsten Roten Zwerge sind wilder als die Sonne, verrät Papier

Rote Zwerge haben etwas Bedrohliches. Menschliche Augen sind an unsere wohlwollende gelbe Sonne und das warme Licht gewöhnt, das sie auf unseren glorreichen, lebensbedeckten Planeten scheint. Aber Rote Zwerge können launisch, schlecht gelaunt und sogar düster wirken.

Sie können lange Zeit ruhig sein, aber dann können sie heftig aufblitzen und eine Warnung an jedes Leben senden, das auf einem nahe gelegenen Planeten Fuß fassen könnte.

Rote Zwerge (M-Zwerge) sind die häufigste Sternart in der Milchstraße. Das bedeutet, dass die meisten Exoplaneten rote Zwerge umkreisen und keine netten, gut erzogenen G-Typ-Sterne wie unsere Sonne. Während Astronomen Rote Zwerge genauer untersuchen, haben sie festgestellt, dass Rote Zwerge möglicherweise nicht die besten Sternwirte sind, wenn es um die Bewohnbarkeit von Exoplaneten geht. Mehrere Studien haben gezeigt, dass Rote Zwerge heftig aufflackern können und genug starke Strahlung abgeben, um nahe gelegene Planeten unbewohnbar zu machen, selbst wenn sie sich fest in der potenziell bewohnbaren Zone befinden.

Aber es gibt noch vieles, was Astronomen über Rote Zwerge und ihre wilde Natur nicht wissen. Eine neue Studie untersuchte 177 M-Zwerge, um ihre langfristige Variabilität besser zu verstehen. Die Forscher fanden heraus, dass das Verhalten von Roten Zwergen komplexer ist als gedacht, und selbst die ruhigsten Roten Zwerge sind wilder als die Sonne.

Die Studie trägt den Titel „Charakterisierung der Sternaktivität von M-Zwergen. I. Langzeitvariabilität in einer großen Stichprobe und Erkennung neuer Zyklen.“ Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie und Astrophysik und ist auf dem Preprint-Server verfügbar arXiv. Die Hauptautorin ist Lucile Mignon, Postdoktorandin an der Universität Grenoble Alpes und am französischen Nationalzentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS).

Alle Sterne sind bis zu einem gewissen Grad variabel. Die Sonne folgt einem 11-Jahres-Zyklus, in dem die Anzahl der Sonnenflecken auf der Oberfläche unseres Sterns zunimmt und abnimmt. Es hängt alles mit der magnetischen Aktivität zusammen. Aber die Bewohnbarkeit hängt von längerfristigen Zyklen ab. Das Leben schreitet in viel längeren Zeiträumen voran als ein paar Jahre. Das Leben auf der Erde brauchte Milliarden von Jahren, um richtig in Gang zu kommen.

Das ist einer der Gründe, warum sich Astrophysiker für Rote Zwerge und ihre langfristige Variabilität interessieren. Das Leben erschien vor etwa 3,5 Milliarden Jahren auf der Erde, aber komplexes Leben entstand erst vor etwa 540 Millionen Jahren während der kambrischen Explosion. Wenn das Leben im Allgemeinen einem ähnlichen Zeitrahmen folgt, könnte die Variabilität der Roten Zwerge verhindern, dass das Leben Bestand hat?

Rote Zwerge zu beobachten und Schlussfolgerungen zu ziehen, ist eine schwierige Herausforderung. Besonders in den letzten Jahren können wir unsere Sonne sehr detailliert beobachten. Eine Flotte von Raumfahrzeugen – darunter die Parker Solar Probe, der Solar Orbiter, der Solar and Heliospheric Orbiter und andere – widmet sich der detaillierten Überwachung. Wir haben auch die Sonne und ihre Aktivität über einen langen Zeitraum beobachtet.

Leider konnten wir einzelne Rote Zwerge nicht über extrem lange Zeiträume beobachten. Stattdessen müssen sich die Forscher mit Datensätzen begnügen, die sich über mehrere Jahrzehnte erstrecken. In dieser neuen Forschung untersuchten Mignon und ihre Co-Autoren 177 M-Zwerge, die von HARPS (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) von 2003 bis 2020 beobachtet wurden. Die Aktivität in dieser Zeitskala enthält Hinweise darauf, wie sich diese Sterne über längere Zeiträume verhalten.

HARPS ist im Wesentlichen ein Spektrograph, und die Autoren dieser Studie sammelten chromosphärische Emissionen für die Roten Zwerge. Chromosphärische Emissionen stammen eher von der Magnetfeldaktivität eines Sterns als von seiner Fusion. Flaring ist ein Artefakt magnetischer Aktivität, daher bedeutet das Studium des Flarings das Studium der Chromosphäre eines Sterns. Neben den chromosphärischen Emissionen analysierte das Team auch die photometrischen Eigenschaften der Roten Zwerge.

Die Schwierigkeit bei der Untersuchung der Variabilität der Roten Zwerge ergibt sich aus unseren begrenzten Langzeitdaten. „Die eindeutige Identifizierung eines Zyklus erfordert Messungen, die seine Wiederholung über mehrere Perioden zeigen. Dazu sind Daten erforderlich, die über einen langen Zeitraum erhoben wurden“, erklären sie.

Da dies nicht der Fall war, arbeiteten die Forscher mit der Idee der sogenannten Jahreszeiten.“ Indem sie Jahreszeiten für einzelne Sterne identifizierten, konnten sie die Daten besser analysieren. „Wir haben diese Jahreszeiten als Abschnitte von 150 Tagen definiert (um die Rotationsmodulation so gut wie möglich zu mitteln). ) mit mindestens fünf Beobachtungen (150 Tage ist die typische Höchstgrenze für die Rotationsperiode von M-Zwergen) und Lücken zwischen den Beobachtungen von weniger als 40 Tagen innerhalb eines 150-Tage-Bin“, erklären sie.

Dadurch wurde eine Teilstichprobe von 57 Sternen identifiziert.

Die Ergebnisse zeigen, dass Variabilität ein bestimmendes Merkmal unter M-Zwergen ist. „Wir stellen fest, dass die meisten Sterne signifikant variabel sind, sogar die leisesten Sterne“, schrieben die Forscher. „Die meisten Sterne in unserer Stichprobe (75%) weisen eine langfristige Variabilität auf, die sich hauptsächlich durch lineare oder quadratische Variabilität manifestiert, obwohl das wahre Verhalten komplexer sein kann.“ (Lineare Variabilität ist einfacher, während quadratische Variabilität auf einen Zyklus hindeutet.)

Die Forscher fanden in ihrer Stichprobe Zyklen von mehreren Jahren bis zu mehr als 20 Jahren. Aber sie weisen schnell darauf hin, dass ihre Ergebnisse Grenzen haben und dass ihre Studie nur ein erster Schritt zu einem besseren Verständnis der Roten Zwerge ist. Bei vielen der Sterne gibt es einen starken Hinweis darauf, dass langfristige Variabilität existiert. „… besser abgetastete Sterne könnten ein komplexeres Verhalten zeigen, wenn sie besser abgetastet worden wären“, schreiben sie. Dennoch sind ihre Ergebnisse „… jedoch ein Hinweis auf das starke Vorhandensein von Langzeitvariabilität und deuten darauf hin, dass diese Sterne eine starke Langzeitvariabilität aufweisen, was bei der Suche nach Exoplaneten wichtig ist.“

Es könnte mehrere Schichten von Zyklen und Variabilitäten geben, die sich gegenseitig beeinflussen, wodurch das Verhalten der Sterne sehr schwer zu entziffern ist. Ihr rätselhaftes Verhalten „… kann auf eine komplexe zugrunde liegende Variabilität auf verschiedenen Zeitskalen gleichzeitig zurückzuführen sein“, schreiben die Autoren.

Die Forscher sagen, dass sie trotz ihrer begrenzten Daten Fortschritte gemacht haben. „Auch wenn die Zeitabdeckung für einige Sterne nicht ausreicht, können unsere Daten verwendet werden, um eine minimale Zyklusdauer abzuschätzen, falls vorhanden.“ Aber einige Schlussfolgerungen sind vorerst unerreichbar. Ihre Analyse „… reicht nicht aus, um zu garantieren, dass das Signal periodisch oder sogar quasi-periodisch ist.“

Eine Slam-Dunk-Antwort für die Bewohnbarkeit von Roten Zwergen ist vorerst außer Reichweite. Es kann sein, dass es, wie diese Studie andeutet, so viele Unterschiede zwischen Roten Zwergen gibt, dass sie für immer unvorhersehbar sind. Aber wetten Sie nicht gegen die Wissenschaft, die mehr Details aufdeckt.

Das Abfackeln von Roten Zwergen ist gut dokumentiert. Die stärkste je entdeckte Sterneruption stammt von einem Roten Zwerg. Im Jahr 2019 emittierte Proxima Centauri, ein Roter Zwerg und unser nächster stellarer Nachbar, eine Flare, die 14.000-mal heller war als ihre Leuchtkraft vor der Flare, und es dauerte nur wenige Sekunden, um so hell zu flackern. Der Exoplanet Proxima Centauri b befindet sich in der potenziell bewohnbaren Zone des Sterns, und ein so helles Aufflackern könnte die Möglichkeit von Leben oder sogar flüssigem Wasser auf dem Planeten ausschließen. Selbst wenn Proxima Centauri alle eine Million Jahre oder noch länger so hell aufleuchten würde, könnte dies die Möglichkeit von Leben ausschließen.

Die Suche nach Leben oder Bewohnbarkeit auf anderen Welten beinhaltet zwangsläufig einen Fokus auf Rote Zwerge. Ihre Fülle bedeutet, dass sie eingehender untersucht werden müssen. Es könnte dazu führen, dass viele der Planeten, die wir für bewohnbar halten, wie die bekannten TRAPPIST-1-Planeten, einfach zu viel Strahlung von ihren roten Zwergwirten ausgesetzt sind. Je variabler sie sind, desto unwahrscheinlicher ist es, dass Leben auf Exoplaneten um Rote Zwerge fortbesteht oder sogar gedeiht.