“Підморгування” великих зірок пояснили внутрішніми процесами

Дитяча пісенька “Twinkle, Twinkle, Little Star” допомогла розрахувати, як конвекція в зірках провокує перепади їхнього блиску. А також спростувала припущення про причини “червоного шуму” у масивних зірок.

Атмосфера нашої планети викривляє світло, тому нам здається, що зірки на нічному небі мерехтять. У космосі цього ефекту немає, тому й знімки в космічних телескопів виходять набагато чіткішими. Насправді зірки дійсно “підморгують” самі по собі. Ці зміни блиску настільки невеликі, що навіть найкращі сучасні телескопи не можуть їх засікти. А ось телескопи наступного покоління вже будуть на це здатні.

Хоча ми не бачимо цю змінність, ми розуміємо, що її провокують процеси в глибинах зірок.

“Рухи, що починаються в ядрах зірок, запускають хвилі, подібні до океанських. Коли ці хвилі досягають поверхні зірки, та починає підморгувати, і ці зміни блиску астрономи, ймовірно, зможуть спостерігати”, – пояснює провідний автор нової роботи Еван Андерс (Evan Anders) із Центру міждисциплінарних досліджень в астрофізиці (CIERA, США).

Разом із командою вчених з Інституту Флатірона (США) та Північно-Західного університету (США) він створив першу комп’ютерну модель процесів у глибинах зірок, за допомогою якої можна визначати, наскільки сильним буде мінливість світності їхньої поверхні. Зі свого боку, коли вчені зможуть спостерігати перепади світла конкретної зірки, за допомогою цієї ж моделі можна буде обчислювати процеси в її надрах. Результати дослідження опубліковано в Nature Astronomy.

Конвекція або перемішування речовини в зірках протікає за рахунок термоядерних реакцій в ядрі. Там під великим тиском йде синтез важчих елементів із ядер атомів водню із виділенням енергії. Ця енергія нагріває речовину, і вона починає підніматися та перемішуватися. Хвилі від цих процесів сягають поверхні, де від перепадів тиску плазми змінюється її яскравість, — і зірка «підморгує».

Складність таких розрахунків у тому, що поблизу ядра хвилі утворюються протягом кількох тижнів, а до поверхні вони повзуть сотні тисяч років. Поєднати настільки різні часові періоди в одній моделі непросто. За словами авторів, вони надихнулися звуковими хвилями. Зокрема, роботою оркестру та професійного звукорежисера. У цій аналогії музиканти – творці хвиль, а звукорежисер – фільтр «акустичних властивостей» зірки.

Свій метод дослідники протестували спочатку на музиці: «Юпітері» із симфонічної сюїти Густава Т. Полотна та дитячій пісеньці «Twinkle, Twinkle, Little Star» . Вчені змоделювали, як ці звукові хвилі поширювалися б у зірках. Потім модель запустили вже на хвилях від конвекції для зірок різних мас: у три, 15 і 40 разів масивніші за Сонце, — і в блиску зірок виникла мінливість.

Взагалі створення моделі затіяли з метою пояснити утворення «червоного шуму» — незрозумілої пульсації яскравості гарячих, масивних зірок. Вважалося, що саме конвекція у ядра провокує цю мінливість, але нова модель показала, що глибинні процеси не дають таких сильних перепадів світла на поверхні. Отже, потрібно шукати іншу причину «червоного шуму».

Втім, співавтор дослідження Маттео Кантіелло (Matteo Cantiello) з Центру обчислювальної астрофізики при Інституті Флатирона припускає, що причиною все ж таки може бути конвекція поблизу поверхні, але тоді з цього «червоного шуму» ми мало що зможемо дізнатися про внутрішні процеси зірок.

Нині дослідники вдосконалюють модель. Насамперед вони хочуть врахувати у розрахунках швидке обертання зірок. Можливо, мінливість блиску у таких об’єктів сильніша, і її вдасться засікти сучасними телескопами.

Масивні зірки наприкінці свого «життя» вибухають, викидаючи у простір цінні важкі елементи, і перетворюються на нейтронні зірки чи чорні дірки. Щоб точно розрахувати характер цієї події та її наслідки, необхідно знати якнайбільше про внутрішню будову об’єкта та його еволюцію. Нова модель дозволить тестувати різні сценарії внутрішніх процесів.