Детская песенка «Twinkle, Twinkle, Little Star» помогла рассчитать, как конвекция в звездах провоцирует перепады их блеска. А также опровергла предположения о причинах «красного шума» у массивных звезд.
Атмосфера нашей планеты искривляет свет, поэтому нам кажется, что звезды на ночном небе мерцают. В космосе этого эффекта нет, поэтому и снимки у космических телескопов получаются гораздо более четкие. На самом деле звезды действительно «подмигивают» сами по себе. Эти изменения блеска настолько небольшие, что даже лучшие современные телескопы не могут их засечь. А вот телескопы следующего поколения уже будут на это способны.
Хотя мы не видим эту переменность, мы понимаем, что ее провоцируют процессы в глубинах звезд. «Движения, начинающиеся в ядрах звезд, запускают волны, подобные океанским. Когда эти волны достигают поверхности звезды, та начинает подмигивать, и эти изменения блеска астрономы, вероятно, смогут наблюдать», — объясняет ведущий автор новой работы Эван Андерс (Evan Anders) из Центра междисциплинарных исследований в астрофизике (CIERA, США).
Вместе с командой ученых из Института Флатирона (США) и Северо-Западного университета (США) он создал первую компьютерную модель процессов в глубинах звезд, с помощью которой можно определять, насколько сильным будет изменчивость светимости их поверхности. В свою очередь, когда ученые смогут наблюдать перепады света конкретной звезды, с помощью этой же модели можно будет вычислять процессы в ее недрах. Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.
Конвекция, или перемешивание вещества в звездах, протекает за счет термоядерных реакций в ядре. Там под большим давлением идет синтез более тяжелых элементов из ядер атомов водорода с выделением энергии. Эта энергия нагревает вещество, и оно начинает подниматься и перемешиваться. Волны от этих процессов доходят до поверхности, где от перепадов давления плазмы меняется ее яркость, — и звезда «подмигивает».
Сложность таких расчетов в том, что вблизи ядра волны образуются в течение нескольких недель, а к поверхности они «ползут» сотни тысяч лет. Объединить настолько разные временные периоды в одной модели непросто. По словам авторов, они вдохновились звуковыми волнами. В частности, работой оркестра и профессионального звукорежиссера. В этой аналогии музыканты — создатели волн, а звукорежиссер — фильтр «акустических свойств» звезды.
Свой метод исследователи протестировали сперва на музыке: «Юпитере» из симфонической сюиты Густава Т. Холста и детской песенке «Twinkle, Twinkle, Little Star». Ученые смоделировали, как эти звуковые волны распространялись бы в звездах. Затем модель запустили уже на волнах от конвекции для звезд разных масс: в три, 15 и 40 раз массивнее Солнца, — и в блеске звезд возникла переменчивость.
Вообще, создание модели затеяли с целью объяснить образование «красного шума» — необъяснимой пульсации яркости горячих, массивных звезд. Считалось, что именно конвекция у ядра провоцирует эту переменчивость, но новая модель показала, что глубинные процессы не дают настолько сильных перепадов света на поверхности. А значит, нужно искать другую причину «красного шума».
Впрочем, со-автор исследования Маттео Кантиэлло (Matteo Cantiello) из Центра вычислительной астрофизики при Институте Флатирона допускает, что причиной все же может быть конвекция вблизи поверхности, но тогда по этому «красному шуму» мы мало что сможем узнать о внутренних процессах звезд.
Сейчас исследователи совершенствуют модель. В первую очередь они хотят учесть в расчетах быстрое вращение звезд. Возможно, изменчивость блеска у таких объектов сильнее, и ее удастся засечь современными телескопами.
Массивные звезды в конце своей «жизни» взрываются, выбрасывая в пространство ценные тяжелые элементы, и превращаются в нейтронные звезды или черные дыры. Чтобы точно рассчитать характер этого события и его последствия, необходимо знать как можно больше о внутреннем строении объекта и его эволюции. Новая модель позволит тестировать разные сценарии внутренних процессов.