Visualización de «Twinkle, Twinkle, Little Star» reproducida a través de tres tamaños de estrellas masivas. Crédito: Universidad Northwestern.
Science 101 nos dice que la apariencia parpadeante de las estrellas desde nuestro punto de vista en la Tierra se debe a efectos atmosféricos: los vientos y las diferentes temperaturas y densidades en el aire doblan y distorsionan la luz. Pero las estrellas tienen otro tipo de «centelleo» producido por la forma en que los gases se ondulan en ondas a través de su superficie, un efecto que podría proporcionar a los astrónomos un medio útil para explorar el interior de estrellas masivas para aprender más sobre cómo se forman y evolucionan. Pero el efecto es demasiado pequeño para ser detectado fácilmente por los telescopios.
Por eso, los científicos han desarrollado las primeras simulaciones en 3D de ese brillo innato, según un artículo reciente publicado en la revista Nature Astronomy. Como beneficio adicional, los investigadores convirtieron los datos de esas ondas de gas en un sonido audible, por lo que ahora todos podemos tomarnos un momento para escuchar «Twinkle, Twinkle, Little Star» (ver video arriba) y «Jupiter» de Gustav Holst. (ver vídeo abajo) en el «lenguaje» de las estrellas.
«Los movimientos en el núcleo de las estrellas lanzan ondas como las del océano», dijo el coautor Evan Anders de la Universidad Northwestern. “Cuando las ondas llegan a la superficie de la estrella, la hacen parpadear de una manera que los astrónomos pueden observar. Por primera vez hemos desarrollado modelos informáticos que nos permiten determinar cuánto debería parpadear una estrella como resultado de estas ondas. Este trabajo permitirá que futuros telescopios espaciales exploren las regiones centrales donde las estrellas forjan los elementos de los que dependemos para vivir y respirar”.
Visualización de «Júpiter» de Gustav Holst a través de tres tamaños de estrellas masivas. Crédito: Universidad Northwestern.
La característica crítica de esta última investigación es la llamada «zona de convección», que normalmente se encuentra cerca de la superficie, aunque también puede persistir más profundamente en la estrella. (Las estrellas también pueden desarrollar zonas de convección cerca del núcleo). Nuestro Sol, por ejemplo, tiene una envoltura convectiva que se extiende desde su superficie hasta aproximadamente un tercio del camino hacia su núcleo. La convección estelar es lo que mueve la materia desde las capas más profundas y calientes de la estrella hacia las capas exteriores más frías, y el material de esas capas exteriores a las capas interiores más calientes.
La convección es también un mecanismo propuesto para las señales llamadas de «ruido rojo» que los astrónomos han observado en las curvas de luz fotométrica de estrellas masivas y calientes: una pulsación misteriosa que provoca fluctuaciones en el brillo de las estrellas. Específicamente, se ha sugerido que la convección del núcleo, o la turbulencia de las zonas de convección del subsuelo, podría producir ondas de gravedad que se expandan hacia la superficie. Esas ondas comprimirían y descomprimirían el plasma, produciendo fluctuaciones de brillo en la luz de la estrella. Anders y sus colegas desarrollaron sus simulaciones en parte para probar esa hipótesis. El desafío: mientras algunas olas llegan a la superficie, otras quedan atrapadas debajo y rebotan. De modo que necesitaban algún medio para distinguir entre los dos tipos de ondas.
Para ello, recurrieron a una analogía acústica. «El carácter de la música depende tanto de las ondas sonoras producidas por los músicos como de la acústica del entorno donde se toca», escribieron los autores. «La música se graba en estudios especiales con paredes que absorben o difunden ondas para minimizar la influencia del entorno sobre el sonido y recuperar el ‘sonido puro’ de los músicos. Para experimentar la música en un entorno diferente, no es necesario transportarse físicamente los músicos; en cambio, se puede aplicar un filtro a la grabación, imitando los efectos del nuevo entorno».
El equipo adoptó una estrategia similar: realizó breves simulaciones de ondas generadas por convección y registró las ondas a medida que avanzaban más allá de la zona de convección. Primero, construyeron un modelo para calcular la «canción» básica de esas ondas de convección (técnicamente, la variabilidad fotométrica de las ondas de gravedad) y luego aplicaron un filtro para replicar las propiedades acústicas de la estrella, similar a los filtros de amortiguación utilizados en una grabación. estudio. Una vez validado este enfoque, Anders et al. realizó simulaciones de convección para estrellas con masas de tres, 15 y 40 veces la de nuestro Sol. Estos mostraron cómo deberían verse esas ondas cuando se ven a través de un telescopio.
EH Anders et al., 2023
En cuanto a la sonificación, la convección de una estrella produce ondas que corresponden a diferentes sonidos. «Las estrellas más pequeñas de nuestro estudio se parecen más al violín, donde tienen algunos ruidos más agudos porque tienen una cavidad de onda más pequeña, al igual que un violín tiene una cavidad de onda más pequeña», dijo Anders a New Scientist. «Y nuestras estrellas más grandes tienen una cavidad de ondas más grande, al igual que un violonchelo tiene una cavidad de ondas más grande, por lo que tienen algunos ruidos más profundos». Utilizaron su modelo para descubrir cómo sonaría una canción si la escucháramos propagada a través de una estrella aplicándola a música real. «Las estrellas cambian la música y, en consecuencia, cambian el aspecto de las ondas si las viéramos parpadear en la superficie de la estrella», dijo Anders.
Las simulaciones también revelaron que el parpadeo atribuible a la convección del núcleo es simplemente demasiado débil para explicar completamente el efecto de ruido rojo observado en estrellas masivas. Es posible que la convección más cercana a la superficie de la estrella pueda explicar el ruido rojo, pero según el coautor Matteo Cantiello del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en Nueva York, esto les diría menos a los astrónomos sobre los procesos que ocurren en las profundidades del interior de la estrella. . El siguiente paso es mejorar sus simulaciones para tener en cuenta otros efectos, como una estrella que gira rápidamente alrededor de su eje, lo que podría producir un parpadeo lo suficientemente fuerte como para ser detectado por telescopios.
DOI: Astronomía de la naturaleza, 2023. 10.1038/s41550-023-02040-7 (Acerca de los DOI).
Imagen de listado de EH Anders et al., 2023