Космическая музыка: как звучат звезды
Звезды мерцают, об этом знает каждый поэт, но ученые могут объяснить, что это связано не только с преломлением света в атмосфере — светила, оказывается, еще и переливаются изнутри. И с помощью трехмерной модели исследователи смогли это не только увидеть, но и услышать.
Яркие точки на небе мерцают разными цветами, что заставляет нас задаваться вопросом, как это происходит и почему. В нашем созвездии тысячи тел разных цветов и размеров. Они излучают свет, который проходит сквозь нагретые и охлажденные слои атмосферы, и по пути преломляется.
Воздушные потоки движутся, и сочетание теплых и холодных слоев меняется: мы видим звезду то яркой, то слегка размытой, отчего нам кажется, что она мерцает. Температура светила определяет, какой цвет оно излучает. Чем выше температура, тем ближе он к голубому или фиолетовому. А у самых холодных звезд расцветка больше напоминает красный или оранжевый.
В новом исследовании ученые Северо-Западного университета в Чикаго доказали, что у звезд есть свое, врожденное мерцание, вызванное пульсирующими газовыми волнами на их поверхности. Правда, увидеть его в телескоп нельзя — можно сказать, что оно призрачное.
Для того того, чтобы его уловить, ученые разработали трехмерные модели, на которых наглядно видна эта пульсация, — она идет от ядра звезды к поверхности и напоминает океанскую волну. Но кроме этого, они преобразовали эти пульсирующие газовые волны в звуковые, и теперь можно буквально услышать, как звучит мерцание звезд.
Хаотическая конвекция
У всех звезд есть конвективная зона — место, где, выталкивая тепло наружу, бурлят газы. Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости. Внутри звезды происходит следующий процесс: поднимаясь, горячая плазма охлаждается за счет излучения энергии в фотосферу; остывая, она снова опускается обратно, где снова нагревается и цикл повторяется. Это похоже на процесс, который подпитывает грозы: охлажденный воздух опускается, нагревается и снова поднимается вверх.
На Солнце перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путем активного перемешивания вещества — конвекции
Фото: © Lukasz Pawel Szczepanski / Shutterstock / FOTODOM
Так же работают газовые волны — маленькие ручейки, которые заставляют звездный свет тускнеть и становиться ярче, производя тонкое мерцание.
У массивных звезд, которые как минимум в два раза больше нашего Солнца, процесс конвекции происходит внутри ядра. Поскольку «сердце» массивного светила скрыто от глаз, ученые попытались смоделировать их скрытую конвекцию.
Увидеть гул Солнца
В начале 60-х годов прошлого века группа астрофизиков из Калифорнийского технологического института заметила на Солнце конвекцию внешних слоев. Они увидели, как пузыри плазмы диаметром около 10 тысяч километров поднимаются и опускаются на его поверхности со скоростью около 500 метров в секунду и периодом в 296 секунд. Это были уже ставшие знаменитыми пятиминутные колебания Солнца, так называемые Р-волны или волны давления (pressure waves).
На Солнце волны малой длины ближе к поверхности, волны большой длины уходят глубоко к ядру звезды Изображение: ESA
Основываясь на исследованиях, в которых изучались свойства турбулентной конвекции ядра, характеристики волн и возможные наблюдаемые особенности этих волн, они смогли предсказать, как яркость звезды изменяется в зависимости от волн, генерируемых конвекцией.
При этом одни колебания в итоге выходят на поверхность, создавая эффект мерцания, а другие остаются внутри. Чтобы изучить второй тип волн, ученые придумали специальный фильтр. Он устроен по аналогии с музыкальной студией со звуконепроницаемыми стенами, которые нужны, чтобы заглушить посторонние звуки. Применив его к газовым волнам внутри конвективного ядра, исследователи увидели, как те ведут себя внутри звезды. Мерцание, рожденное этими волнами, чрезвычайно тонкое, и наши глаза недостаточно чувствительны, чтобы его наблюдать. А вот уши способны услышать.
Музыка звезд
Ядро звезды — вместилище термоядерных реакций. Там генерируется энергия, которая передается более высоким слоям звезды точно так же, как и тепло электроплиты нагревает дно чайника, который начинает гудеть.
Так и в космосе со звездой происходит то же самое: она отдает тепловую энергию за счет конвекции вместе со струями поднимающегося вещества. И эта конвекция внешних слоев светила тоже порождает звуковые волны. Но как их послушать?
Разработав модель движения энергии от ядра массивной звезды к ее внешней поверхности, ученые преобразовали эти данные в звуковые волны, чтобы можно было услышать звездное «мерцание». И вот что получилось.
Ученые выяснили, что в зависимости от того, насколько светило большое и яркое, конвекция производит волны, которые звучат по-разному. Например, колебания, исходящие из ядра большой звезды, издают звук, похожий на выстрел лазерной пушки. Но по мере того, как волна выходит на поверхность, этот звук превращается в глухое эхо в пустой комнате. Звук волн на поверхности звезды среднего размера напоминают гул в продуваемом ветрами поле. Волны маленьких светил похожи на сирену сигнализации.
Можно сказать, что все звезды, в том числе Солнце, изменяются. Их блеск то затухает, то становится ярче. И в некоторых случаях эта переменность определяется как раз колебаниями поверхности звезды. Так что и в космосе нет ничего более стабильного, чем временное.
