Come mai potresti guardare dentro una stella? Potresti estrarre i bisturi e altri strumenti del mestiere chirurgico, ma buona fortuna arrivare a pochi milioni di chilometri dalla superficie prima che la pelle si sciolga. Le stelle del nostro universo nascondono molto bene i loro segreti, ma gli astronomi possono superare la loro intelligenza e hanno trovato il modo di scrutare nei loro cuori usando, tra tutte le cose, le onde sonore.
Starquakes
'Onde sonore nello spazio' è una frase piuttosto confusa, ma non preoccuparti, queste onde sonore rimangono rigorosamente all'interno delle loro sfere stellari. Ogni stella è un vortice dinamico e vibrante di intensa attività frenetica. All'interno c'è la follia del nucleo nucleare, che crea nuovi elementi ogni secondo a temperature di milioni di gradi. All'esterno c'è il vuoto dello spazio stesso, più freddo del freddo a una temperatura appena sopra lo zero assoluto.
Il compito del corpo di una stella è portare tutto quel calore dall'interno verso l'esterno, dove vuole disperatamente andare. Mentre per tutta la vita le stelle esistere in uno stato di equilibrio (non stanno esplodendo in una supernova o collassando in un buco neroproprio adesso), qualsiasi lieve disturbo può persistere sotto forma di piccoli urti e oscillazioni in tutta la massa della stella e sulla sua superficie.
Gli 'urti e oscillazioni nella massa' sono anche noti come onde sonore.
Mentre le stelle pulsano, si sollevano e tremano a causa della complessa fisica al loro interno, le loro superfici vibrano con onde sonore stazionarie, che possiamo vedere da lontano come piccoli cambiamenti di luminosità.
Ci sono diversi modi in cui le stelle possono iniziare a urlare. Se una macchia o un intero strato di materia stellare è un po' più denso della media, può intrappolare le radiazioni al di sotto di esso, impedendole di fuoriuscire. Questo riscalda lo strato in modo anomalo, facendolo salire ed espandersi, liberando il calore intrappolato e consentendo allo strato di raffreddarsi e tornare al modo in cui è iniziato, ripristinando l'intero processo. Mentre questo ciclo continua, le onde sonore emanano dalla pulsazione, circondando temporaneamente l'intera stella.
Anche la convezione all'interno della stella gioca un ruolo, poiché gigantesche macchie di materiale stellare si fanno strada verso la superficie, toccano il freddo dello spazio, rilasciano il loro calore e scivolano giù nelle profondità infuocate. Questa continua agitazione, come la superficie bollente di una pentola d'acqua sul fornello, risuona in tutta la stella.
Anche un compagno vicino può guidare la creazione di onde sonore, poiché la gravità del partner orbitante tira e modifica la stella, raggiungendo con invisibili schiaffi gravitazionali e spremere, innescando più terremoti.
La simulazione incontra la realtà delle onde sonore
Le stelle ospitano ogni sorta di vibrazioni al loro interno. Alcuni durano poco, altri restano a lungo. Alcuni si attaccano solo alla superficie o appena sotto, mentre altri si aprono e si abbassano, rimbalzando sul nucleo denso nel processo. Ciò significa che le vibrazioni sono diagnostiche molto utili nelle condizioni della stella. Quanti anni ha? Qual è la percentuale di elementi più pesanti che nuotano al suo interno? Come sono collegati (o meno) tra loro i vari strati interni?
Il particolare mix di ingredienti che entrano in ogni particolare stella cambia sottilmente i tipi di vibrazioni che vivono sulla superficie. È come la frenologia stellare, ma in realtà è scienza: studiare le protuberanze e le oscillazioni sulla superficie di una stella rivela il suo carattere.
È qui che i computer entrano in scena in grande stile, e perchéasterosismologiaè un campo relativamente nuovo. Non abbiamo catalogo su catalogo di stelle sezionate e visualizzate da confrontare con esemplari viventi. Invece abbiamo i computer, molti di loro. Modello dopo modello, inforniamo ogni possibile tipo di stella nei nostri forni al silicio, abbracciando la gamma di ogni tipo di parametro di input gestibile.
E mettiamo a punto anche la fisica, armeggiando e giocando con varie teorie su come funzionano le stelle all'interno. Quanto sono collegati i nuclei alle atmosfere? Quanto sono importanti i campi magnetici? Qual è la relazione tra rotazione e trasferimento di calore? Domande importanti senza molte risposte.
L'ascesa delle macchine
Queste estese simulazioni di stelle finte ci danno il necessario 'catalogo arretrato' da confrontare con le osservazioni. Ma le osservazioni non sono facili. Non possiamo osservare la superficie della maggior parte delle stelle: possiamo solo guardare da lontano mentre la luce delle stelle si attenua e si illumina.
Alcune di queste variazioni sono dovute a riacutizzazioni casuali o altra attività temperamentale. Alcune di queste variazioni sono dovute a un pianeta in orbita che attraversa la linea di vista. E alcune di queste variazioni sono dovute alle onde sonore che si infrangono attraverso la stella e gorgogliano sulla superficie, cambiando sempre leggermente la luminosità nella lucentezza della stella.
È qui che la teoria incontra la realtà, ma le osservazioni sono estremamente brevi (non riusciamo a osservare le stelle per molto tempo) e incomplete (non possiamo vedereTuttile vibrazioni sulla superficie). Per dare un senso a tutto questo, astronomi ha recentemente sviluppato un'intera pipeline di machine learning confrontare i dati con i modelli.
In questa pipeline, gli scienziati hanno addestrato una rete neurale sulle simulazioni, consentendole di scoprire tutte le sottili relazioni tra i parametri di input del modello (massa della stella, struttura metallica, ecc.) e i modelli di vibrazione sulla superficie. Quindi, usando quella conoscenza sofisticata, l'algoritmo può guardare le stelle reali con dati reali e disordinati e trovare la migliore corrispondenza nei modelli. Questa tecnica è ancora nella sua infanzia quando si tratta di asterosismologia, ma apre un futuro promettente per l'estrazione di campioni stellari, comprendendo come funzionano le stelle all'interno.
Per saperne di più: ' Deep Learning applicato alla modellazione asterosismica delle stelle con modalità di oscillazione coerenti '