Астросейсмологія: про що “дихають” зірки

Норвезька премія Кавлі в галузі астрономії 2022 року дісталася групі вчених, які зробили низку відкриттів у астросейсмології — науці, що вивчає коливання зовнішнього шару зір за допомогою виміру їхніх частотних спектрів та пульсацій. У своїх дослідженнях група вчених, до якої увійшли Конні Aртс (Бельгія), Йорген Крістенсен-Далсгор (Данія) та Роджер Ульріх (США), змогла провести паралелі між систематичними флуктуаціями біля поверхні зоряної кори та процесами зореутворення, що відбуваються всередині них. Нова методологія спостереження може стати справжнім проривом у галузі дистанційного вивчення зір, зокрема нашого Сонця (дослідженням якого займається геліосейсмологія).

Сьогодні ми розповімо, як саме астросейсмологія проливає світло на фундаментальні процеси, що відбуваються всередині зір (такі як утворення нейтрино), і як її методи допоможуть вже найближчим часом істотно підвищити рівень прогнозованості поведінки Сонця.

Як народжуються зіркові флуктуації

Пульсації виникають у момент перетворення теплової енергії, що генерується всередині зорі, на кінетичну, яка і виявляється у механічних флуктуаціях на її поверхні. Спалахи та вибухи на Сонці породжують величезну кількість кінетичної енергії, відлуння якої поширюється крізь тіло зорі за допомогою акустичних хвиль. Фіксація та зіставлення гармонік подібних коливань дозволяють вченим визначити і класифікувати процеси, що відбуваються всередині зорі, які не можуть бути вивчені жодним із нині наявних способів астрономічних спостережень.

Там, куди надмірно високий температурний поріг не дозволяє зазирнути космічним дослідницьким зондам, стає в пригоді осцилографія — метод дослідження фізичних величин за допомогою електровимірювальних приладів. У випадку астросейсмології ними виступають осцилографи та їхні аналоги.

Зіставлення періоду хвильових частот від спостережуваних зоряних коливань може надати дуже точну інформацію про щільність внутрішніх шарів зорі, а спектральний аналіз цих флуктуацій розповість про хімічний склад речовини, з якої вони складаються. Такі періоди зоряного “дихання” здатні пролити світло на швидкість обертання їхніх зовнішніх та внутрішніх шарів і краще зрозуміти процеси зоряної еволюції.

Уперше питанням неможливості спостереження внутрішніх зоряних процесів зацікавився астрофізик з Англії — Артур Еддінгтон (1882-1944). У своїй монографії, яка отримала назву “Внутрішня будова зір“, він акцентував увагу на тому, що лише експериментальне підтвердження вже існуючих тоді теорій про пристрій та термохімічні процеси, що відбуваються в зорях, можуть найточніше пояснити їхню природу.

Метод, який допоміг наочно спостерігати процеси, що відбуваються всередині зір, знайшовся вже після смерті англійського вченого. На початку 1960-х років астрофізики всерйоз надихалися сейсмологією — наукою, яка на той момент вже кілька століть поспіль вивчала хвильові коливання, що утворюються всередині земної поверхні. За допомогою зіставлення та аналізу цих частотних даних сейсмологія отримувала уявлення про щільність, склад і швидкість руху нижніх шарів Землі, куди фізично неможливо було доставити дослідницьке обладнання.

Команда науковців Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом Роберта Лейтона вперше виявила горизонтальні конвекційні потоки на Сонці. Величезні бульбашки плазми діаметром до 10 000 км народжували акустичні коливання, які з періодом кожні 296 секунд створювали на поверхні нашого світила хвилі заввишки до 500 м. З огляду на низьку щільність зорі, хвилі не були прямолінійними: зсередини вони могли пронизувати всю поверхню і вивільнятися у вигляді брижів на протилежному боці Сонця. Опис цих систематичних сонячних коливань і став народженням астросейсмології як нової області спостережної астрономії.

Геліосейсмологія: як побачити звук Сонця

Щільність Сонця лише в 1,4 рази вище за щільність води. Це зі свого боку свідчить про те, що у його плазмі добре поширюються акустичні хвилі. Термохімічні процеси внутрішніх пластів світила породжують коливання, які зі своєю швидкістю та амплітудою спрямовуються на його поверхню. Саме там ми і можемо бачити їхнє вивільнення у вигляді брижів на поверхні зовнішніх шарів зорі, які відмінно спостерігаються в сучасні астрономічні телескопи.

Варто зазначити, що в умовах гранично розрядженого середовища космічного вакууму до нас не надходять безпосередньо звуки сейсмічної активності Сонця. У цьому випадку астрономи можуть лише візуально спостерігати подібну хвильову активність, що дозволяє астросейсмологам у буквальному сенсі бачити звуки Сонця.

Сучасна астросейсмологія поділяє хвильові коливання зір (моди) на три види, кожен із яких позначається своєю латинською літерою:

• Акустичні коливання, або моди тиску — флуктуації позначаються латинською літерою p, з’являються внаслідок надлишкового тиску всередині зірки. Динаміка розподілу цих коливань у просторі обмежена локальною швидкістю звуку. Більш яскраво виражені у зорях, подібних до нашого Сонця.
• Гравітаційні моди — тип флуктуацій, що позначається латинською літерою g. Флуктуації з’являються в результаті вивільнення менш масивних елементів газу та занурення більш масивних. G-моди не слід плутати з гравітаційними хвилями із ЗТВ.
• Поверхнево-гравітаційні моди позначені літерою f. Даний тип акустичних коливань за своєю природою найбільше схожий на хвилі, які ми можемо спостерігати на поверхні морів та океанів.

Моди різних сонячних коливань мають криволінійну траєкторію і часто стикаються один із одним, внаслідок чого глушать або, навпаки, посилюють свою амплітуду. Саме детальне спостереження за траєкторіями руху, інтенсивністю гармонік та амплітудною частотою коливань сонячних мод і дає уявлення про щільність та структуру всередині нашої зорі.

На сьогодні геліосейсмологія змогла вирішити безліч завдань, над якими билися цілі покоління вчених, що вивчали Сонце. Саме періодичні коливання зовнішнього зоряного шару підказали вирішення питання нестачі фіксованих сонячних нейтрино — згідно з теорією будови Сонця, їх мало бути втричі більше, ніж уловлювали детектори нейтрино, встановлені на Землі. Саме різниця в температурі, щільності та хімічному складі, яка постійно варіюється всередині сонячного ядра (місця, де формуються нейтрино), змогла пояснити нерівномірність їхнього розподілу.

Спектральний аналіз хвильової активності Сонця багато розповів про процеси та швидкість руху зовнішніх і внутрішніх сонячних шарів. Це дало розуміння того, як розподіляється швидкість руху зовнішнього шару світила: коло полюсів рух сповільнювався, тоді як біля екватора його швидкість, навпаки, збільшувалася. На певній глибині на шляху до сонячного ядра ця різниця нівелювалася, а швидкість залишалася сталою, що дало розуміння принципів твердотільного обертання ядра нашої зорі.

Саме розуміння нерівномірності сонячного обертання біля його зовнішніх шарів змогло дати ширше уявлення про розподіл магнітного поля нашого світила. Разом із цим знанням людство отримало унікальну можливість передбачати у майбутньому силу спалахів на Сонці, які у разі викиду у бік Землі можуть деструктивно впливати на орбітальні супутники зв’язку і загрожувати життю астронавтів, що працюють на орбіті.

Спостереження за далекими зорями

Багато в чому геліосейсмологічні спостереження за Сонцем мають таку високу точність вимірювань через безпосередню його близькість — сучасна оптика може в деталях розглянути навіть найнезначніші коливання сонячної кори, спричинені акустичними хвилями.

Однак спостереження за більш віддаленими зорями є задачею зовсім іншого роду. Наразі наявні астрономічні телескопи не мають достатньої роздільної здатності своїх об’єктивів і не можуть візуально зафіксувати хвильову активність на поверхні віддалених зір. Навіть якщо припустити, що така оптика могла б існувати, ейнштейнівський ефект гравітаційного лінзування, викликаний галактичними та пиловими скупченнями між земним спостерігачем і далекими зорями, суттєво спотворював би отримані дані спостережень.

Утім, астросейсмологія далеких зір проводиться доволі вдало. Причому вона здатна визначати масу, вік і хімічний склад віддалених від нас на багато мільйонів світлових років зір з не меншою точністю, ніж вона це робить із Сонцем. Відгадка криється у вимірі рівня світності зірок. Виміри зміни світності зорі та її подальше розкладання на гармоніки і періоди коливань можуть точно розповісти про те, як змінюються найвіддаленіші зорі. Причому амплітудна частотна характеристика (АЧХ) цих коливань здатна вірно визначити, чим саме викликана зміна світності зорі: її фізичною пульсацією або ж транзитом уздовж зоряного диска планет, деякі з яких можуть бути потенційно придатними для життя.

Даніель Хубер, аспірант Сіднейського університету, у процесі спостереження та зіставлення гармонік коливань червоних гігантів зміг перетворити отримані АЧХ зір різних розмірів та прискорити їхній звук таким чином, щоб його могло почути людське вухо. Концерт із трьох червоних гігантів різних розмірів можна послухати тут: запис стартує зі звуку вищої частоти, що належить червоному гіганту найменшого розміру, і поступово збільшується до низькочастотного гулу, характерного для червоних гігантів великих розмірів. Дивовижна схожість з оркестровими духовими інструментами — що більший розмір труби, то нижчий звук вона грає.

Мерехтіння зір, викликане їхніми систематичними коливаннями, складається із безлічі гармонік, і визначення закономірностей у цьому зоряному шумі часто стає дуже складним завданням. Однак із розвитком астросейсмології з’являються нові методики систематизації отриманої інформації. Лауреатка премії Кавлі з астрономії цього року Конні Артс розробила математичні методи для визначення нерадіальних зоряних коливань у спектроскопічних даних за допомогою інтеграції у цей процес машинного навчання (штучного інтелекту). Математичні алгоритми, розроблені Конні Артс, сьогодні активно використовуються в багатьох астросейсмологічних космічних місіях, таких як CoRoT, Kepler і TESS.

Космічні місії та перспективи розвитку астросейсмології

За період виникнення астросейсмології прямими і опосередкованими спостереженнями за зорями займалися (і продовжують займатися) ціла низка космічних місій:

• MOST — перший канадський космічний телескоп, повністю розроблений та сконструйований у Канаді. Запущений 2003 року для виконання моніторингових завдань щодо вивчення зоряних коливань методами астросейсмології.
• CoRoT — запущений у 2006 році космічний телескоп виробництва ESA, зокрема Франції. Апарат заточений на пошук потенційно придатних для життя скелястих планет навколо зір, схожих на Сонце.
• WIRE — супутник виробництва американського агентства NASA, запущений 1999 року. Інфрачервоний ширококутний телескоп спочатку призначався для дослідження галактик за спалахами зореутворення, але зазнав аварії, яка призвела до витоку рідкого водню, що виступав основним холодоагентом зонда. Дослідницький потенціал телескопа не був реалізований повною мірою, однак його робочі елементи відмінно підійшли для спостереження за зоряними коливаннями, в результаті чого WIRE швидко переорієнтували під цілі астросейсмології.
• SOHO — запущений 1995 року космічний апарат виробництва ESA і NASA. Як зрозуміло з його назви (Solar and Heliospheric Observatory), призначався для детального вивчення Сонця, зокрема методами астросеймологічних спостережень.
• Kepler — космічний телескоп NASA, що має надчутливу оптику, запущений в 2009 році. Головним завданням космічного апарата став пошук потенційно придатних для життя екзопланет, які зонд шукав, насамперед вивчаючи відповідні зорі, навколо яких вони мали обертатися. Kepler допоміг астрономам визначити понад 2600 потенційно придатних для життя екзопланет. Можливо, у віддаленому майбутньому деякі з них можуть стати притулком для перших поколінь планетарних колоністів. За дев’ять років плідної роботи апарат повністю витратив запас палива та завершив свою науково-дослідну місію.
• TESS — запущений 2018 року космічний апарат виробництва NASA. Він дозволяє досліджувати більшість найяскравіших карликових зір навколишнього космосу. Заточений під пошук потенційно придатних для життя екзопланет та супутників, за два роки своєї роботи TESS зумів просканувати і сфотографувати більше 75% спостережного космосу, та виявив 66 раніше невідомих планет і понад 2100 кандидатів в екзопланети.

Перспективи розвитку астросейсмології як науки, здатної експериментально підтвердити наші теоретичні уявлення про зорі, вражають. Крім експериментального підтвердження (або спростування) багатьох космологічних теорій щодо влаштування зір, наука надала вражаючу передбачувальну здатність. В майбутньому це допоможе прогнозувати та боротися з наслідками сонячних спалахів, які, досягаючи Землі, можуть виводити з ладу телекомунікаційні та моніторингові супутники. 

Розуміння процесів, що відбуваються всередині тисяч зір, які зараз вивчаються, може доповнити уявлення про зоряну еволюцію небесних світил і багато розповісти вченим, яке саме майбутнє чекає на наше Сонце. Крім цього, найактуальнішою (з точки зору довгострокової перспективи виживання людини) є робота астросейсмологів, спрямована на пошук екзопланет. Слабке та ледве чутне “дихання” цих віддалених світил дає астросейсмологам унікальну можливість зрозуміти, де ще, окрім нашої Сонячної системи, може існувати життя у Всесвіті.