Многие люди знают, что звезды мерцают, потому что наша атмосфера преломляет звездный свет, когда он достигает Земли. Но у звезд также есть естественное «мерцание», вызванное рябью газа на их поверхности, которое в настоящее время невозможно обнаружить телескопами на Земле. В новом исследовании группа исследователей под руководством Северо-Западного университета разработала первое трехмерное моделирование пульсации энергии от ядра массивной звезды к ее внешней поверхности. Используя эти новые модели, исследователи впервые определили, сколько звезд должно мерцать естественным путем.

Ученые Северо-Западного университета впервые разработали технологию трехмерного моделирования для изучения пульсаций энергии от ядра к внешней поверхности массивной звезды, что дает новый взгляд на присущее звездам «мерцание». Команда также преобразовала эти волны в звук, позволив слушателям «услышать» внутреннюю часть звезды и ее естественное мерцание. Источник: Э.Х.Андерсеталь.

Команда также впервые преобразовала эту газовую рябь в звуковые волны, позволив слушателям услышать звуки недр звезды и ее «мерцание». Это так увлекательно. Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.

«Движение ядра звезды создает волны, подобные океану», — сказал Эван Андерс из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. «Когда волны достигают поверхности звезды, они заставляют звезду мерцать, и астрономы, возможно, смогут наблюдать это мерцание. Впервые мы разработали компьютерную модель, которая позволяет нам определить, насколько сильно звезда мерцает из-за этих волн. Эта работа позволит будущим космическим телескопам обнаружить центральную область, где звезды создают элементы, которыми мы живем и дышим».

Андерс — научный сотрудник Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики Северо-Западного университета (CIERA). Даниэль Лекоанет, соавтор отчета об исследовании, доцент кафедры инженерных наук и прикладной математики Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета и член CIERA, предоставил рекомендации.

Трехмерное моделирование того, как турбулентная конвекция в ядре (центре) большой звезды создает рябь, которая распространяется наружу и резонирует вблизи поверхности звезды. Изучая изменения яркости звезд, вызванные вибрациями, ученые однажды смогут лучше понять процессы, происходящие глубоко внутри ядер крупных звезд. Источник изображения: Э.Х.Андерс и др./Nature-Astronomy, 2023 г.

У всех звезд есть зона конвекции — нестабильная, хаотичная область, где газ бурлит, выталкивая тепло наружу. У массивных звезд (масса которых как минимум в 1,2 раза превышает массу Солнца) зона конвекции расположена в ядре звезды.

Конвекционные потоки внутри звезд аналогичны процессам, вызывающим грозы. Охлажденный воздух опускается, нагревается и снова поднимается. Это турбулентный процесс, переносящий тепло. Он также создает волны — небольшие струйки, которые заставляют звездный свет тускнеть и становиться ярче, создавая едва заметные мерцания. Поскольку ядра массивных звезд скрыты, Андерс и его команда попытались смоделировать их скрытые конвекционные потоки. После изучения свойств конвекции в турбулентном ядре, характеристик волн и наблюдаемых особенностей, которые могут иметь эти волны, новое моделирование команды включает в себя все соответствующие физические данные, чтобы точно предсказать, как яркость звезды меняется в ответ на волны, генерируемые конвекцией.

После того как конвекция создает волны, эти волны отражаются внутри моделируемой звезды. Некоторые волны оказываются на поверхности звезды, создавая мерцающий эффект, тогда как другие задерживаются и продолжают подпрыгивать. Чтобы изолировать волны, излучаемые на поверхность, и создать эффект мерцания, Андерс и его команда создали фильтр, который описывает, как волны отражаются внутри моделируемой звезды.

«Сначала мы поместили вокруг звезды демпфирующий слой — как мягкие стены в студии звукозаписи — чтобы мы могли точно измерить, как конвекция ядра создает волны», — объясняет Андерс.

Андерс сравнивает это с музыкальной студией, в которой используются звуконепроницаемые мягкие стены, чтобы минимизировать акустику окружающей среды, чтобы музыканты могли извлечь «чистый звук» из музыки. Затем музыканты применяют фильтры и монтируют эти записи для достижения желаемых эффектов.

Сыграйте в «Юпитер» Густава Холста, играя на огромных звездах трех размеров. Источник: Северо-Западный университет.

Аналогичным образом Андерс и его коллеги применили свой фильтр к чистым волнам, которые они измеряли, исходящим из конвективного ядра. Затем они отслеживали волны, отражающиеся вокруг модели звезды, и в конечном итоге обнаружили, что их фильтр точно описывает, как звезда изменяет волны, исходящие из ядра. Затем исследователи разработали другой фильтр, который описывает, как волны отражаются внутри настоящих звезд. После применения этого фильтра полученная симуляция показывает, как астрономы ожидают появления волн при наблюдении в мощные телескопы.

«Яркость или затемнение звезды зависит от различных динамических изменений, происходящих внутри звезды», — сказал Андерс. «Мерцание, вызванное этими волнами, настолько тонкое, что наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы его увидеть. Но мощные телескопы будущего, возможно, смогут его обнаружить».

Андерс и его коллеги пошли еще дальше по аналогии со студией звукозаписи и начали производить звуки с использованием аналогового звука. Поскольку эти волны находятся за пределами человеческого слуха, исследователи равномерно увеличили частоту волн, сделав их отчетливо слышимыми.

В зависимости от размера или яркости массивной звезды волны, создаваемые конвекцией, соответствуют разным звукам. Например, волны из ядра большой звезды звучат как луч лучевой пушки, проносящийся по инопланетному ландшафту. Но когда эти волны достигают поверхности звезды, звезда меняет эти звуки. У крупных звезд импульсы, подобные лучевой пушке, превращаются в низкое эхо, которое разносится по пустым помещениям. С другой стороны, волны на поверхности звезд среднего размера напоминают постоянный жужжащий звук, производимый ветром землетрясений. А волны на поверхности маленькой звезды звучат как тихие сирены погоды.

Визуальные эффекты Little Star воспроизводятся через массивные звезды трех размеров. Источник: Северо-Западный университет.

Затем Андерс и его команда проигрывали песню через разных звезд и слушали, как звезды меняли песню. Они передали короткие аудиоклипы «Юпитер» (часть из оркестровой сюиты композитора Густава Холста «Планеты») и «Twinkle Twinkle» через массивные звезды трех размеров (большие, средние и маленькие). Когда они путешествуют по звездам, все песни звучат отдаленно и протяжно, как песни из «Алисы в стране чудес».

«Нам было любопытно, как бы звучала песня, если бы она путешествовала через звезду», — сказал Андерс. «Звезда меняет музыку и, в свою очередь, меняет то, как бы выглядели волны, если бы мы видели, как они вспыхивают по поверхности звезды».