巨星的闪烁揭示了它们的内部结构如何在首次模拟中搅动

星星的闪烁中隐藏着秘密。

由熨斗研究所和西北大学的科学家领导的一个研究小组创建了首个计算机模拟，展示了恒星深处的搅动如何导致恒星的光闪烁。这种效应与地球大气层引起的夜空中可见的星星闪烁不同。

研究人员于 7 月 27 日在《自然天文学》杂志上报告称，通过仔细观察恒星固有的闪烁，天文学家有一天可以利用模拟来更多地了解比太阳更大的恒星内部发生的情况。

该研究的合著者、纽约市熨斗研究所计算天体物理中心(CCA)的研究科学家马泰奥·坎蒂洛(Matteo Cantiello)表示，这种影响太小，目前的望远镜无法捕捉到。随着望远镜的改进，这种情况可能会改变。“我们将能够看到核心的特征，”坎蒂洛说，“这将非常有趣，因为这将是探测恒星内部区域的一种方法。”

该研究的主要作者、西北大学博士后研究员埃文·安德斯(Evan Anders)表示，更好地了解恒星内部结构将有助于天文学家了解恒星如何形成和演化、星系如何组装以及我们呼吸的氧气等重元素是如何产生的。

“恒星核心的运动会像海洋上的运动一样发射波浪，”安德斯说。“当波到达恒星表面时，它们会使其以天文学家能够观察到的方式闪烁。我们第一次开发了计算机模型，使我们能够确定恒星因这些波而闪烁的程度。这项工作使未来的太空望远镜能够探测恒星形成我们赖以生存和呼吸的元素的中心区域。”

有趣的是，新的模拟还扩大了长达数年的恒星之谜。天文学家一直观察到一种无法解释的脉冲(或“红噪声”)，导致炽热大质量恒星的亮度波动。一个流行的观点是恒星核心的对流导致了这种闪烁。然而，新的模拟表明，核心对流引起的闪烁太微弱，无法与观察到的红噪声相匹配。研究人员在他们的新论文中报告说，肯定是有其他原因造成的。

深挤压

恒星的对流由其核心的核反应堆提供动力。在恒星的中心，巨大的压力将氢原子挤压在一起形成氦原子以及一些多余的能量。这种能量产生热量，导致等离子体团块像熔岩灯中的粘液一样上升。但与熔岩灯不同的是，对流像一锅沸水一样湍急。这种运动产生的波浪就像地球海洋中的波浪一样。然后这些波向外传播到恒星表面，在那里压缩和减压恒星的等离子体，导致恒星的光线变亮和变暗。通过研究恒星的亮度，科学家们意识到他们或许能够了解恒星核心的情况。

不过，坎蒂洛说，在计算机中模拟波的产生和传播非常困难。这是因为，虽然恒星核心中的波产生流持续几周，但产生的波可以持续数十万年。将这些截然不同的时间尺度(数周乃至数百年)联系起来是一个严峻的挑战。

研究人员从另一种形式的波中获得了灵感：构成音乐的声波。他们意识到核心中对流引起的波的产生就像音乐厅里的一群音乐家。音乐家弹奏乐器时发出的声音在场地周围弹跳时会发生变化。研究人员发现，他们可以首先计算对流引起的波的未改变的“歌曲”，然后应用复制恒星声学特性的滤波器 - 类似于专业音响工程师的过程。

研究人员使用真实音乐中的声波测试了他们的方法，其中包括古斯塔夫·霍尔斯特管弦乐组曲“行星”中的“木星”，以及相当恰当的“一闪一闪亮晶晶”。他们模拟了这些声波如何在不同大小的恒星内部反弹，产生令人难以忘怀的结果。

在验证了他们的方法之后，研究人员模拟了对流引起的波以及由此产生的恒星的星光波动，这些恒星的质量是太阳的三倍、15倍和40倍。对于所有三种尺寸，核心对流确实会在表面附近引起闪烁的光强度，但不会达到天文学家所看到的红噪声特征的频率或强度。

坎蒂洛说，对流可能仍然是产生红噪声的原因，但它可能距离恒星表面更近，因此不太能说明恒星内部深处发生的情况。

研究人员现在正在改进他们的模拟，以考虑其他效应，例如恒星绕其轴快速旋转，这是比太阳质量更大的恒星的一个共同特征。他们很好奇快速旋转的恒星是否具有足够强的由核心对流引起的闪烁，可以被当前的望远镜捕捉到。“这是一个有趣的问题，我们希望得到答案，”坎蒂洛说。