Изучение детской песенки «Twinkle, Twinkle, Little Star» позволило установить, как конвекция в звёздах вызывает колебания их яркости. Кроме того, это помогло опровергнуть существующие гипотезы о природе «красного шума», наблюдаемого у массивных звёзд.
Свет, проходящий через атмосферу Земли, искажается, из-за чего звезды на ночном небе кажутся мерцающими. В космическом пространстве этого явления не наблюдается, поэтому изображения, полученные космическими телескопами, отличаются большей четкостью. На самом деле звезды испытывают собственные, незначительные колебания яркости. Эти изменения настолько малы, что даже самые передовые современные телескопы не способны их зафиксировать. Однако телескопы будущего поколения смогут это сделать.
Мы не можем наблюдать эту изменчивость напрямую, однако известно, что она вызывается процессами, происходящими в недрах звезд. Волны, порождаемые движениями в ядрах звезд, распространяются, подобно океанским. Достигая поверхности звезды, она начинает мерцать, и эти колебания в яркости, вероятно, будут заметны астрономам, — поясняет ведущий автор новой работы, Эван Андерс (Evan Anders) из Центра междисциплинарных исследований в астрофизике (CIERA, США).
Совместно с коллегами из Института Флатирона и Северо-Западного университета (оба – США) он разработал первую компьютерную модель, позволяющую изучать процессы, протекающие в недрах звезд, и прогнозировать интенсивность изменения их поверхностной светимости. Используя эту модель, можно будет определять, какие процессы происходят внутри звезды, анализируя изменения ее светимости. Результаты исследования опубликованы в Nature Astronomy.
В звездных недрах конвекция, то есть перемешивание вещества, обусловлена термоядерными реакциями. В ядре, под воздействием колоссального давления, происходит синтез более тяжелых элементов из ядер водорода с высвобождением энергии. Эта энергия приводит к нагреву вещества, которое затем поднимается и перемешивается. Возникающие волны достигают поверхности звезды, где изменения давления плазмы влияют на ее яркость, создавая эффект «подмигивания».
Сложность этих вычислений заключается в том, что волны формируются вблизи ядра в течение нескольких недель, а доходят до поверхности, распространяясь сотни тысяч лет. Создание единой модели, объединяющей столь разные временные масштабы, представляет собой непростую задачу. Авторы отмечают, что источником вдохновения для них послужили звуковые волны, в особенности работа оркестра и профессиональный звукорежиссер. В этой аналогии музыканты выступают в роли создателей волн, а звукорежиссер – как фильтр, регулирующий «акустические свойства» звезды.
Сначала исследователи опробовали свою методику, используя для этого «Юпитер» из симфонической сюиты Густава Т. Холста и детскую песенку «Twinkle, Twinkle, Little Star». Используя компьютерное моделирование, исследователи проследили, как звуковые волны могли бы распространяться внутри звезд. Затем модель была применена к конвективным волнам для звезд, масса которых в три, 15 и 40 раз превышает массу Солнца, что привело к появлению переменной яркости.
Изначально разработка модели была направлена на объяснение феномена «красного шума» – необъяснимой пульсации яркости массивных и горячих звезд. Ранее полагалось, что причиной этой переменчивости является конвекция в области ядра звезды, однако новая модель продемонстрировала, что процессы, происходящие в глубине, не вызывают столь значительных колебаний света на поверхности. Таким образом, поиск альтернативного объяснения «красного шума» представляется необходимым».
Впрочем, соавтором исследования выступил 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.
В настоящее время ученые работают над улучшением модели. В первую очередь они планируют включить в расчеты информацию о быстром вращении звезд. Вероятно, у таких объектов наблюдается большая изменчивость в яркости, которую можно будет зарегистрировать с помощью современных телескопов.
В конце своего жизненного цикла массивные звезды взрываются, рассеивая в космос тяжелые элементы и трансформируясь в нейтронные звезды или черные дыры. Для точного определения особенностей этого процесса и его последствий требуется максимально полное понимание внутреннего строения объекта и его развития. Предлагаемая модель позволит проверять различные сценарии внутренних процессов.