Astrofizycy symulują dźwięk gwiazd, aby odkryć ich sekrety

Dźwięk nie może przemieszczać się w próżni przestrzeni kosmicznej.

Ale nie zmienia to faktu, że gwiazdy nadal generują całą symfonię poddźwiękowych nut gdy ich jądrowe piece generują złożone wibracje. Teleskopy mogą dostrzec te wibracje jako fluktuacje jasności lub temperatury na powierzchni gwiazdy.

Rozumiejąc te wibracje, możemy dowiedzieć się więcej o wewnętrznej strukturze gwiazdy, która na co dzień jest przed nami ukryta.

“Wiolonczela brzmi jak wiolonczela z uwagi na swoje rozmiary i kształt” mówi Jacqueline Goldstein, doktorantka na University of Wisconsin-Madison. “Wibracje gwiazd także zależą od ich rozmiarów i budowy”.

W swojej pracy, Goldstein bada związek między strukturą gwiazd a wibracjami tworząc oprogramowanie, które symuluje różne gwiazdy i ich częstotliwości. Gdy porównuje swoje symulacje do prawdziwych gwiazd, Goldstein może dopracowywać swój model i udoskonalać sposoby zaglądania pod powierzchnie gwiazd badając ich delikatne dźwięki.

Zważając na częstotliwości powtarzające się na przestrzeni minut do dni, wibracje trzeba przyspieszyć tysiąc czy milionkrotnie, aby znalazły się w zakresie słyszalnym dla ludzkiego ucha. Owe dźwięki można nazwać trzęsieniami gwiazd przez analogię to ich sejsmicznych kuzynek na Ziemi. Dziedzina, w ramach której naukowcy badają takie fale to astrosejsmologia.

Gdy gwiazdy przeprowadzają procesy fuzji wodoru w cięższe pierwiastki w swoich jądrach, gorąca plazma wibruje i sprawia, że gwiazda zmienia jasność. Te delikatne fluktuacje mówią badaczom wiele o strukturze gwiazdy i o tym jak będzie się zmieniała z wiekiem. Goldstein bada gwiazdy większe od naszego Słońca.

“Zajmuję się tymi gwiazdami, które eksplodują pozostawiając po sobie czarne dziury i gwiazdy neutronowe i wszystkie ciężkie pierwiastki we wszechświecie, z których zbudowane są planety i całe życie” mówi Goldstein. “Chcemy zrozumieć jak one działają i jak wpływają na ewolucję wszechświata. Są to zatem naprawdę istotne zagadnienia”.

We współpracy z prof. Richem Townsemdem i prof. Ellen Zweibel, Goldstein opracowała program GYRE, który łączy się z programem MESA symulującym gwiazdy. Wykorzystując to oprogramowanie, Goldstein tworzy modele różnych rodzajów gwiazd i sprawdza jak mogą wyglądać ich wibracje. Na kolejnym etapie badacze sprawdzają jak bardzo symulacje zgadzają się z rzeczywistością.

“Skoro stworzyłam swoje gwiazdy, wiem jak je skonstruowałam. Gdy porównuje przewidywania wibracji z obserwowanymi wibracjami gwiazd, i okazuje się, że są takie same, to świetnie – wnętrze moich gwiazd jest takie samo jak prawdziwych. Gdy różnią się od siebie – co dzieje się znacznie częściej – wiemy, że musimy poprawić swoje symulacje i ponownie je przetestować” mówi Goldstein.

Zarówno GYRE jak i MESA to programy open source, co oznacza, że naukowcy mają pełen dostęp i mogą modyfikować ich kod. Co roku, od 40 do 50 naukowców uczestniczy w letniej szkole MESA na University of California w Santa Barbara, gdzie uczestnicy poznają zasady korzystania z programu i go bezustannie poprawiają.

W udoskonalaniu programów pomaga jeszcze jedna grupa naukowców – poszukiwacze planet pozasłonecznych. Dwie rzeczy mogą powodować fluktuacje jasności gwiazdy: wewnętrzne wibracje oraz planety przechodzące na tle tarczy gwiazdy. Dzięki temu, że poszukiwania egzoplanet bardzo przyspieszyły, Goldstein otrzymała dostęp do ogromu nowych danych dotyczących fluktuacji gwiazd, a które znajdują się w bazach danych z licznych przeglądów odległych gwiazd.

Najnowszym poszukiwaczem egzoplanet jest kosmiczny teleskop TESS, który został wyniesiony na orbitę w ubiegłym roku, i który obserwuje 200 000 najjaśniejszych i najbliższych nam gwiazd.

“TESS obserwuje całe niebo”, mówi Goldstein. “Dzięki temu będziemy w stanie określić, w odniesieniu do wszystkich gwiazd, które widzimy w naszym otoczeniu, czy pulsują czy nie. Jeżeli tak, będziemy w stanie badać ich pulsacje, aby dowiedzieć się co się dzieje w ich wnętrzach”.

Aktualnie Goldstein opracowuje nową wersję GYRE, która będzie korzystała z danych zebranych przez TESS. Za pomocą tego programu będzie można symulować istną orkiestrę składającą się z setek tysięcy gwiazd.

Źródło: University of Wisconsin-Madison

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.