«Проделанная нами работа позволит в будущем, используя космические телескопы, исследовать звёздные ядра, где возникают элементы, существенно влияющие на земную жизнь», — говорит учёный-исследователь Эван Андерс (Evan Anders).
Многие знают, что звёзды кажутся мерцающими из-за искривляющей звёздный свет земной атмосферы. Однако у звёзд есть ещё и собственное, незаметное для современного наземного телескопа «мерцание», которое создаётся на их поверхности пульсацией газов.
В рамках исследования, проведённого на базе Северо-западного университета (Northwestern University), команда учёных впервые разработала трёхмерные модели пульсирующей энергии, идущей от ядра массивной звезды к её поверхности, и, используя эти модели, определила количество обладающих собственным мерцанием звёзд.
Кроме того, команда — опять же впервые — преобразовала эту газовую пульсацию в звуковые волны, чтобы можно было услышать голос и звёздного чрева, и звёздного «мерцания». И это жутко завораживает.
Результаты данного исследования опубликованы 27 июля в журнале «Nature Astronomy».
«Движение, происходящие в ядрах звёзд, порождает волны, подобные волнам океана, — говорит руководитель исследования Эван Андерс из Северо-западного университета. — Достигая поверхности звезды, эти волны вызывают такое её мерцание, которое можно наблюдать. Нам удалось впервые разработать компьютерные модели, позволяющие определять интенсивность мерцания звёзд под воздействием газовых волн. Проделанная нами работа позволит в будущем, используя космические телескопы, исследовать звёздные ядра, где возникают элементы, существенно влияющие на земную жизнь».
Андерс — научный сотрудник Центра междисциплинарных и астрофизических исследований (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics, CIERA) Северо-западного университета. Его консультирует соавтор исследования Даниэль Лекоане (Daniel Lecoanet), доцент инженерных наук и прикладной математики Инженерной школы имени Маккормика (McCormick School of Engineering) Северо-западного университета и член CIERA.
Волны, вызывающие мерцание, порождает тепло
У всех звёзд есть зона конвекции — область дикого хаоса, откуда бурлящие газы выталкивают тепло наружу. У массивных звёзд (тех, масса которых, как минимум, в 1,2 раза больше массы нашего Солнца) эта зона находится в их ядрах.
«Внутризвёздная конвекция похожа на процесс, питающий грозы, — поясняет Андерс. — Газы, охлаждаясь, оседают, нагреваются и вновь поднимаются вверх. Это — переносящий тепло турбулентный процесс».
Кроме того, данный процесс создаёт волны — струйки, вызывающие слабое мерцание, заставляя звёздный свет тускнеть и становиться ярче. Ядра массивных звёзд не видны, поэтому Андерс и его команда решили смоделировать скрытую от глаз внутризвёздную конвекцию. Чтобы точно предсказывать изменение яркости звезды в зависимости от генерируемых конвекцией волн, созданные командой симуляции опираются на весь комплекс физических знаний о свойствах турбулентной конвекции звёздного ядра, характеристиках волн и возможных особенностях их наблюдения.
Порождённые конвекцией волны мечутся внутри моделируемой звезды. Одни из них в конце концов попадают на поверхность звезды и создают эффект мерцания, другие, не сумевшие выбраться из ловушки, продолжают пульсировать внутри. Чтобы изолировать волны, выходящие на поверхность и создающие мерцание, Андерс и его команда разработали фильтр, описывающий пульсацию волн внутри симуляций.
«Сначала, чтобы можно было точно измерять процесс создания волн конвекцией ядра, мы поместили звезду в демпфирующий слой, нечто вроде мягкой обивки в студии звукозаписи», — объясняет Андерс.
В этом объяснении использовано сравнение с музыкальной студией, где мягкие, звукоизолирующие стены сводят акустику помещения к минимуму, создавая возможность получать «чистый звук». Записывая песню, музыканты применяют фильтры и, обрабатывая свои записи, добиваются того, чтобы песня звучала именно так, как они хотят.
Действуя сходным образом, Андерс и его сотрудники применили свой фильтр к измеренным ими чистым волнам, выходящим из конвектирующего ядра.
Далее учёные приступили к изучению волн, которые мечутся внутри модельной звезды, и в конечном итоге обнаружили, что созданный ими фильтр точно описывает, как звезда изменяет волны, идущие из ядра. Затем исследователи разработали другой фильтр, позволяющий описывать пульсацию волн внутри настоящей звезды. С применением этого фильтра симуляция позволяет предсказывать, как будут появляться волны, если смотреть на звезду в мощный телескоп.
«В зависимости от различных процессов, происходящих внутри звезды, она становится чуть более яркой или чуть более тусклой, — говорит Андерс. — Мерцание, которое вызывают эти волновые процессы, чрезвычайно слабое, и наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы видеть его. Но мощные телескопы будущего, вероятно, смогут его фиксировать».
Размышляя о процессе звукоизоляции в музыкальной студии
Продвинув аналогию со студией звукозаписи ещё на шаг вперёд, Андерс и его сотрудники приступили к использованию своих симуляций для создания звуков. Чтобы сделать волны, находящиеся за пределами диапазона человеческого слуха слышимыми, исследователи пропорционально увеличили их частоты.
В зависимости от того, насколько велика или ярка массивная звезда, конвекция производит волны, соответствующие разным звукам. Например, волны, исходящие из ядра большой звезды, издают звуки, подобные тем, которые издаёт искорёженная лучевая пушка, пронзая инопланетный ландшафт. Однако звезда изменяет эти звуки, когда волны выходят на её поверхность. Большая звезда превращает импульсы, подобные импульсам лучевой пушки, в низкое раскатистое эхо в пустом помещении. Напротив, волны на поверхности звезды среднего размера вызывают в воображении непрерывный гул в продуваемой ветрами местности. А поверхностные волны маленькой звезды звучат как заунывный вой сирены, извещающей о приближении бури.
Затем Андерс и его команда взялись пропускать через нутро разных звёзд музыкальные произведения, чтобы послушать, как звёзды изменяют эти произведения. Они пропустили через массивные звёзды трёх размеров короткий аудиоклип, в который включили часть №4 «Юпитер» симфонической сюиты «Планеты» композитора Густава Холста и колыбельную «Twinkle, Twinkle, Little Star» («Мерцай, мерцай, звездочка») (см. вверху). При прохождении через звёзды все музыкальные произведения звучат отдалённо и призрачно, что вызывает в памяти «Алису в стране чудес».
«Нам было любопытно, как будет звучать музыкальное произведение, пропущенное через звезду, — говорит Андерс. — Звезда меняет музыку и, соответственно, меняет тот облик, какой имели бы волны, если бы мы могли видеть их мерцающими на звёздной поверхности».
Автор — Аманда Моррис (Amanda Morris).
Перевод — Александр Горлов, «XX2 ВЕК».
Источники: https://news.northwestern.edu/stories/2023/07/listen-to-a-star-twinkle/.
Вам также может быть интересно:
