Астросейсмология: о чем «дышат» звезды

Норвежская премия Кавли в области астрономии в 2022 году досталась группе ученых, совершивших ряд открытий в астросейсмологии — науке, изучающей колебания внешнего слоя звезд посредством измерения их частотных спектров и пульсаций. В своих исследованиях группа ученых, в которую вошли Конни Aртс (Бельгия), Йорген Кристенсен-Далсгор (Дания) и Роджер Ульрих (США), смогла провести параллели между систематическими флуктуациями у поверхности звездной коры и процессами звездообразования, происходящими внутри них. Новая методология наблюдения может стать настоящим прорывом в области дистанционного изучения звезд, в частности нашего Солнца (исследованием которого занимается гелиосейсмология).

Сегодня мы расскажем, как именно астросейсмология проливает свет на фундаментальные процессы, происходящие внутри звезд (такие как образование нейтрино), и как ее методы помогут уже в ближайшем будущем существенно повысить степень прогнозируемости поведения Солнца.

Как рождаются звездные флуктуации

Пульсации возникают в момент преобразования тепловой энергии, рождающейся внутри звезды, в кинетическую, которая и выражается в механических флуктуациях на ее поверхности. Вспышки и взрывы на Солнце рождают огромное количество кинетической энергии, отголоски которой распространяются сквозь тело звезды посредством акустических волн. Фиксация и сопоставление гармоник подобных колебаний позволяют ученым определить и классифицировать процессы, происходящие внутри звезды, которые не могут быть изучены никаким из ныне существующих способов астрономических наблюдений.

Там, куда чрезмерно высокий температурный порог не позволяет заглянуть космическим исследовательским зондам, приходит на помощь осциллография — метод исследования физических величин посредством электроизмерительных приборов. В данном случае — осциллографов и их аналогов.

Сопоставление периода волновых частот от наблюдаемых звездных колебаний может предоставить очень точную информацию о плотности внутренних слоев звезды, а спектральный анализ этих флуктуаций способен рассказать о химическом составе вещества, из которого они состоят. Такие периоды звездного «дыхания» проливают свет на скорость вращения их внешних и внутренних слоев и позволяют лучше понять процессы звездной эволюции.

Впервые вопросом невозможности наблюдения внутренних звездных процессов озадачился астрофизик из Англии — Артур Эддингтон (1882-1944). В своей монографии, получившей название «Внутреннее строение звезд«, он акцентировал внимание на том, что только экспериментальное подтверждение уже существующих тогда теорий об устройстве и термохимических процессах, происходящих в звездах, может наиболее точно объяснить их природу.

Метод, который помог наглядно наблюдать процессы, происходящие внутри звезд, нашелся уже после смерти английского ученого. В начале 1960-х астрофизики всерьез вдохновились сейсмологией — наукой, на тот момент уже несколько столетий изучавшей волновые колебания, образующиеся внутри земной поверхности. Посредством сопоставления и анализа этих частотных данных сейсмология получала представление о плотности, составе и скорости движения нижних слоев Земли, куда физически невозможно было доставить исследовательское оборудование.

Команда научных сотрудников Калифорнийского технологического института под руководством Роберта Лейтона впервые обнаружила горизонтальные конвекционные потоки на Солнце. Огромные пузыри плазмы диаметром до 10 000 км рождали акустические колебания, которые с периодом в каждые 296 секунд создавали на поверхности нашего светила волны высотой до 500 м. Ввиду низкой плотности звезды волны не были прямолинейными: изнутри они могли пронизывать всю поверхность и высвобождаться в виде ряби на противоположной стороне Солнца. Описание этих систематических солнечных колебаний и стало рождением астросейсмологии как новой области наблюдательной астрономии.

Гелиосейсмология: как увидеть звук Солнца

Плотность Солнца всего в 1,4 раза выше плотности воды. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что в его плазме хорошо распространяются акустические волны. Термохимические процессы внутренних слоев Солнца порождают колебания, со своей скоростью и амплитудой устремляющиеся к его поверхности. Именно там и можно увидеть их высвобождение в виде ряби на поверхности внешних слоев светила, которая отлично наблюдается в современные астрономические телескопы.

Стоит отметить, что в условиях предельно разряженной среды космического вакуума до нас не доходят непосредственно звуки сейсмической активности Солнца. В данном случае астрономы могут лишь визуально наблюдать подобную волновую активность, что позволяет астросейсмологам в буквальном смысле видеть звуки на Солнце.

Современная астросейсмология подразделяет волновые звездные колебания (моды) на три вида, каждый из которых обозначается своей латинской литерой:

• Акустические колебания, или моды давления — флуктуации обозначаются латинской литерой p, появляются в результате избыточного давления внутри звезды. Динамика распределения этих колебаний в пространстве ограничена локальной скоростью звука. Более ярко выражены в звездах, подобных нашему Солнцу.
• Гравитационные моды — тип флуктуаций, который обозначается латинской буквой g. Флуктуации появляются в результате высвобождения менее массивных элементов газа и погружения более массивных. G-моды не следует путать с гравитационными волнами из ОТО.
• Поверхностно-гравитационные моды отмечены литерой f. Данный тип акустических колебаний по своей природе более всего походит на волны, которые мы можем наблюдать на поверхности морей и океанов.

Моды различных солнечных колебаний имеют криволинейную траекторию и часто сталкиваются друг с другом, в результате чего глушат или, наоборот, усиливают свою амплитуду. Именно детальное наблюдение за траекториями движения, интенсивностью гармоник и частой амплитудой колебаний солнечных мод и дает представление о плотности и структуре внутри нашей звезды.

На сегодняшний день гелиосейсмология смогла решить массу задач, над которыми бились целые поколения ученых, изучающих Солнце. Именно периодические колебания внешнего звездного слоя подсказали решение задачи нехватки фиксируемых солнечных нейтрино — согласно теории строения Солнца, их должно было быть втрое больше, чем улавливали детекторы нейтрино, установленные на Земле. Именно разница в температуре, плотности и химическом составе, которая постоянно варьируется внутри солнечного ядра (места, где формируются нейтрино), смогла объяснить неравномерность их распределения.

Спектральный анализ волновой активности Солнца многое рассказал о процессах и скорости движения внешних и внутренних солнечных слоев. Это дало понимание того, как распределяется скорость движения внешнего слоя светила: у полюсов движение замедлялось, в то время как у экватора его скорость, напротив, увеличивалась. На определенной глубине на пути к солнечному ядру эта разница нивелировалась и оставалась стабильной, что дало понимание принципов твердотельного вращения нашей звезды.

Именно понимание неравномерности солнечного вращения у его внешних слоев дало более широкое представление о распределении магнитного поля нашего светила. С этим знанием человечество получило уникальную возможность в будущем предсказывать силу вспышек на Солнце, которые, в случае их выброса в сторону Земли, могут оказывать деструктивное влияние на орбитальные спутники связи и угрожать жизни астронавтов, работающих на орбите.

Наблюдение за далекими звездами

Во многом гелиосейсмологические наблюдения за нашим Солнцем обладают такой высокой точностью измерений ввиду непосредственной его близости — современная оптика может в деталях рассмотреть даже самые незначительные колебания солнечной коры, вызванные акустическими волнами.

Однако наблюдение за более отдаленными звездами представляет собой задачу совершенно иного рода. Существующие на данный момент астрономические телескопы не обладают достаточной разрешительной способностью своих объективов и не могут визуально зафиксировать волновую активность на поверхности очень отдаленных звезд. Даже если предположить, что такая оптика могла бы существовать, эйнштейновский эффект гравитационного линзирования, вызванный галактическими и пылевыми скоплениями, находящимися между земным наблюдателем и далекими звездами, существенно искажал бы полученные данные наблюдений.

Тем не менее, астросейсмология отдаленных звезд проводится. Причем способна определять массу, возраст и химический состав удаленных от нас на многие миллионы световых лет звезд с не меньшей точностью, чем она это делает с Солнцем. Отгадка кроется в измерении уровня светимости звезд. Замеры изменения светимости звезды и их дальнейшее разложение на гармоники и периоды колебаний могут в точности рассказать, как изменяются даже самые удаленные звезды. Причем амплитудная частотная характеристика (АЧХ) этих колебаний способна верно определить, чем именно вызвано изменение светимости звезды: ее физической пульсацией или же транзитом вдоль звездного диска планет, некоторые из которых могут быть потенциально пригодны для жизни.

Наиболее точно это различие можно увидеть на примере красных гигантов — звезд, на которые будет походить наше Солнце в процессе своей эволюции, когда оно начнет синтезировать водород в оболочке вокруг своего гелиевого ядра, и далее, когда гелий в составе ядра начнет преобразовываться в углерод.

Даниэль Хубер, аспирант Сиднейского университета, в процессе наблюдения и сопоставления гармоник колебаний красных гигантов смог преобразовать полученные АЧХ звезд разных размеров и ускорить их звук таким образом, чтобы он мог быть различимым для человеческого уха. Концерт трех красных гигантов разных размеров можно услышать здесь: запись стартует со звука более высокой частоты, который принадлежит красному гиганту самого маленького размера, и постепенно увеличивается до низкочастотного гула, характерного для красных гигантов больших размеров. Удивительное сходство с оркестровыми духовыми инструментами — чем больше размер трубы, тем ниже звук она извлекает.

Мерцание звезд, вызванное их систематическими колебаниями, состоит из множества гармоник. И определение закономерностей в этом звездном шуме часто становится очень сложной задачей. Впрочем, с развитием астросейсмологии появляются и новые методики систематизации полученной информации. Лауреатка премии Кавли по астрономии этого года Конни Артс разработала математические методы для определения нерадиальных звездных колебаний в спектроскопических данных посредством интеграции в этот процесс машинного обучения (искусственного интеллекта). Математические алгоритмы, разработанные Конни Артс, сейчас активно используются во множестве астросейсмологических космических миссий, таких как CoRoT, Kepler и TESS.

Космические миссии и перспективы развития астросейсмологии

За период возникновения астросейсмологии прямыми и косвенными наблюдениями за звездами занимались (и продолжают заниматься) целый ряд космических миссий:

• MOST — первый канадский космический телескоп, полностью разработанный и сконструированный в Канаде. Запущен в 2003 году для выполнения мониторинговых задач по изучению звездных колебаний методами астросейсмологии.
• CoRoT — запущенный в 2006 году космический телескоп производства ESA, в частности Франции. Аппарат заточен на поиск потенциально пригодных для жизни скалистых планет вокруг звезд, похожих на наше Солнце.
• WIRE — запущенный в 1999 году спутник производства американского агентства NASA. Изначально предназначавшийся для исследования галактик по вспышкам звездообразования, инфракрасный широкоугольный телескоп потерпел аварию, которая привела к утечке жидкого водорода, выступавшего основным хладагентом зонда. Исследовательский потенциал телескопа не был реализован в полной мере, однако его рабочие элементы отлично подошли для наблюдения за звездными колебаниями, в результате чего WIRE быстро переориентировали под цели астросейсмологии.
• SOHO — космический аппарат производства ESA и NASA, который был запущен в 1995 году. Как следует из его названия (Solar and Heliospheric Observatory), предназначался для детального изучения Солнца, в том числе и методами астросеймологических наблюдений.

• Kepler — космический телескоп NASA, обладающий сверхчувствительной оптикой, был запущен в 2009 году. Главной задачей космического аппарата стал поиск потенциально пригодных для жизни экзопланет, которые зонд искал, в первую очередь изучая подходящие звезды, вокруг которых они должны были вращаться. Kepler помог астрономам определить больше 2600 потенциально пригодных для жизни экзопланет. Возможно, в отдаленном будущем некоторые из них смогут стать пристанищем для первых поколений планетарных колонистов. Спустя девять лет плодотворной работы аппарат полностью израсходовал свой запас топлива и завершил научно-исследовательскую миссию.
• TESS — запущенный в 2018 году космический аппарат производства NASA, позволяющий исследовать большинство самых ярких карликовых звезд наблюдаемого космоса. Заточен под поиск потенциально пригодных для жизни экзопланет и спутников. За два года своей работы сумел просканировать и сфотографировать более 75% наблюдаемого космоса и обнаружил 66 ранее не открытых планет и свыше 2100 кандидатов в экзопланеты.

Перспективы развития астросейсмологии как науки, способной экспериментально подтвердить наши теоретические представления о звездах, поражают. Помимо экспериментального подтверждения (или опровержения) многих космологических теорий об устройстве звезд и планет, наука предоставила поразительную предсказательную способность. В будущем это поможет предугадывать и бороться с последствиями солнечных вспышек, которые, достигая Земли, могут выводить из строя телекоммуникационные и мониторинговые спутники. 

Понимание процессов, происходящих внутри тысяч изучаемых звезд, может дополнить представление о звездной эволюции небесных светил и многое рассказать ученым относительно того, какое будущее ждет наше Солнце. Помимо этого, самой актуальной (с точки зрения долгосрочной перспективы выживаемости человеческого вида) является работа астросейсмологов по поиску экзопланет методом транзита по звездному диску. Слабое и еле слышное «дыхание» этих удаленных светил предоставляет астросейсмологам уникальную возможность понять, где еще, помимо нашей Солнечной системы, может существовать жизнь во Вселенной.