Моделювання зоряної конвекції розкриває, що змушує гігантські зірки мерехтіти

Астрофізики з Інституту Флетайрона та їхні колеги створили перше комп’ютерне моделювання, яке показує, як конвекція в ядрах масивних зірок породжує хвилі, які призводять до мерехтіння зіркового світла.

Таємниці ховаються в мерехтінні зірок.

Дослідницька група під керівництвом вчених з Інституту Флетайрона та Північно- Західного університету створила перші у своєму роді комп’ютерні симуляції, які показують, як збовтування в глибині зірки може призвести до мерехтіння світла зірки. Цей ефект відрізняється від видимого мерехтіння зірок на нічному небі, спричиненого атмосферою Землі.

Уважно спостерігаючи за вродженим мерехтінням зірок, астрономи одного разу зможуть використати симуляції, щоб дізнатися більше про те, що відбувається всередині зірок, більших за наше Сонце, повідомляють дослідники сьогодні (27 липня) у журналі Nature Astronomy .

Ефекти надто малі, щоб їх могли вловити нинішні телескопи, каже співавтор дослідження Маттео Кантіелло, науковий співробітник Центру  обчислювальної астрофізики  (CCA) Інституту Флатірона в Нью-Йорку. Це може змінитися завдяки вдосконаленню телескопів. «Ми зможемо побачити сигнатуру ядра, — каже Кантіелло, — що буде досить цікаво, тому що це буде спосіб дослідження самих внутрішніх областей зірок».

Розкриття еволюції зірок і створення елементів

Краще розуміння внутрішньої частини зірок допоможе астрономам дізнатися, як утворюються та еволюціонують зірки, як збираються галактики та як утворюються важкі елементи, такі як кисень, яким ми дихаємо, каже провідний автор дослідження Еван Андерс, докторант Північно-Західного університету.

«Рухи в ядрах зірок викликають хвилі, схожі на хвилі в океані», — каже Андерс. «Коли хвилі досягають поверхні зірки, вони змушують її мерехтіти таким чином, що астрономи можуть спостерігати. Ми вперше розробили комп’ютерні моделі, які дозволяють нам визначити, наскільки зірка повинна мерехтіти в результаті цих хвиль. Ця робота дозволяє майбутнім космічним телескопам досліджувати центральні області, де зірки формують елементи, від яких ми залежимо, щоб жити і дихати».

Перегляд зоряної таємниці «Червоного шуму»

Інтригуюче те, що нові симуляції також розширюють багаторічну зоряну таємницю. Астрономи постійно спостерігали незрозуміле пульсування — або «червоний шум» — що спричиняє коливання яскравості гарячих, масивних зірок. Популярне припущення полягало в тому, що це мерехтіння викликає конвекція в ядрах зірок. Нове моделювання, однак, показує, що мерехтіння, спричинене конвекцією ядра, надто слабке, щоб відповідати спостережуваному червоному шуму. Дослідники повідомляють у своїй новій статті.

Глибоке стискання

Конвекція зірки забезпечується ядерним реактором у її ядрі. У серці зірки інтенсивний тиск стискає атоми водню разом, утворюючи атоми гелію та надлишок енергії. Ця енергія генерує тепло, яке змушує згустки плазми підніматися, як слиз у лавовій лампі. Але на відміну від лавової лампи, конвекція турбулентна, як каструля з киплячою водою. Цей рух породжує хвилі, подібні до тих, що є в океанах Землі.

Потім ці хвилі розповсюджуються назовні до поверхні зірки, де вони стискають і розтискають плазму зірки, викликаючи яскравість і затемнення світла зірки. Вивчаючи яскравість зірки, вчені зрозуміли, що їм вдасться зрозуміти, що відбувається в ядрі зірки.

Виклик моделювання

Однак, за словами Кантіелло, симулювати генерацію та поширення хвилі в комп’ютері абсурдно важко. Це тому, що хоча хвилегенеруючий потік у ядрі зірки триває кілька тижнів, створені хвилі можуть зберігатися сотні тисяч років. Поєднання цих кардинально різних часових масштабів — тижнів і сотень тисячоліть — становило серйозну проблему.

Імітація мерехтіння зірок

Після перевірки свого підходу дослідники змоделювали викликані конвекцією хвилі та результуючі флуктуації зіркового світла зірок, маси яких у три, 15 і 40 разів перевищують масу нашого Сонця. Для всіх трьох розмірів конвекція ядра справді викликала мерехтливу інтенсивність світла біля поверхні, але не на частотах чи інтенсивності, характерних для червоного шуму, який бачили астрономи.

Кантіелло каже, що конвекція все ще може бути відповідальною за червоний шум, але вона, швидше за все, буде набагато ближче до поверхні зірки і, отже, менш розповість про те, що відбувається в глибині зірки.

Дивлячись вперед

Зараз дослідники вдосконалюють своє моделювання, щоб врахувати додаткові ефекти, такі як швидке обертання зірки навколо своєї осі, що є загальною рисою зірок, масивніших за наше Сонце. Їм цікаво, чи мають зірки, що швидко обертаються, достатньо сильне мерехтіння, спричинене конвекцією ядра, щоб його вловити сучасні телескопи. «Це цікаве запитання, на яке ми сподіваємось отримати відповідь», — каже Кантіелло. Джерело