熨斗研究所(Flatiron Institute)和西北大学(Northwestern University)的科学家们开发了计算机模拟，展示了大质量恒星核心内的对流如何导致它们发出的光闪烁。这一发现发表在《自然天文学》上，可能是了解比太阳大的恒星内部运作的关键。资料来源:E.H.安德斯等人/《自然天文学》2023

熨斗研究所的天体物理学家和他们的同事已经创建了第一个计算机模拟，展示了如何大质量恒星核心的对流会产生波，从而产生闪烁的星光。

秘密隐藏在闪烁的星星里。

由熨斗研究所(Flatiron Institute)和西北大学(Northwestern University)的科学家领导的一个研究小组首次创建了计算机模拟，展示了恒星深处的搅动如何导致恒星的光线闪烁。这种效果不同于由地球大气层引起的夜空中可见的星星闪烁。

研究人员今天(7月27日)在《自然天文学》杂志上报告说，通过密切观察恒星固有的闪烁，天文学家有一天可以利用模拟来了解更多比太阳大的恒星内部发生的事情。

三维模拟了大恒星(中心)核心的湍流对流如何产生向外涟漪的波，并在恒星表面附近产生共振振动。通过研究由振动引起的恒星亮度的变化，科学家们有朝一日可以更好地了解大恒星内部深处的过程。资料来源:E.H.安德斯等人/《自然天文学》2023

纽约市熨斗研究所计算天体物理中心(CCA)的研究科学家Matteo Cantiello说，这种影响太小，目前的望远镜无法捕捉到。这种情况可能会随着望远镜的改进而改变。“我们将能够看到核心的特征，”坎蒂洛说，“这将是非常有趣的，因为这将是一种探索恒星内部区域的方法。”

揭示恒星演化和元素创造

西北大学博士后研究员、该研究的主要作者埃文·安德斯说，更好地了解恒星的内部结构将有助于天文学家了解恒星是如何形成和演化的，星系是如何聚集的，以及我们呼吸的氧气等重元素是如何产生的。

安德斯说:“恒星核心的运动就像海洋中的运动一样，会产生波浪。”“当引力波到达恒星表面时，它们会使恒星以一种天文学家可能能够观察到的方式闪烁。我们第一次开发了计算机模型，使我们能够确定一颗恒星在这些波的作用下应该闪烁多少。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。”

重新审视“红噪音”的恒星之谜

有趣的是，新的模拟还拓宽了一个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，即“红噪声”，它会引起热的大质量恒星亮度的波动。一种流行的说法是，恒星核心的对流导致了这种闪烁。然而，新的模拟表明，由核心对流引起的闪烁太微弱，无法与观测到的红噪声相匹配。研究人员在他们的新论文中报告说，一定有别的东西在起作用。

深挤

恒星的对流由其核心的核反应堆提供动力。在恒星的中心，强烈的压力将氢原子挤压在一起，形成氦原子和一些多余的能量。这种能量产生热量，导致等离子体团块上升，就像熔岩灯里的粘稠物一样。但与熔岩灯不同的是，对流像一锅沸水一样动荡。这种运动产生的波浪就像地球上的海洋一样。

然后，这些波向外波及到恒星的表面，在那里它们压缩和释放恒星的等离子体，导致恒星的光线变亮或变暗。通过研究恒星的亮度，科学家们意识到他们可能能够收集到恒星核心发生的事情。

模拟的挑战

然而，在计算机中模拟波的产生和传播是非常困难的，坎蒂洛说。这是因为虽然恒星核心的波浪产生流持续几周，但产生的波浪可以持续数十万年。将这些截然不同的时间尺度——数周和数十万年——联系起来构成了一个严峻的挑战。

由核心co产生的表面波的音频表示一颗质量是太阳40倍的恒星内部的对流。波浪有节奏的拍击使恒星的光线闪烁。图片来源:E.H.安德斯等人/《自然·天文学nomy 2023

天体物理模拟的音乐灵感

研究人员从另一种形式的波中获得灵感:构成音乐的声波。他们意识到，核心中对流诱导的波产生就像音乐厅里的一群音乐家。音乐家们在弹奏乐器时发出的声音在场地周围回荡时发生了变化。研究人员发现，他们可以首先计算出对流引起的波的未改变的“歌曲”，然后应用一个过滤器来复制恒星的声学特性——这与专业音响工程师的过程类似。

研究人员使用真实音乐的声波来测试他们的方法，包括古斯塔夫·霍尔斯特的管弦乐组曲《行星》中的“木星”，以及相当恰当的“闪烁，闪烁，小星星”。他们模拟了这些声波如何在不同大小的恒星内部反弹，产生了一个令人难以忘怀的结果。

古斯塔夫·霍尔斯特(Gustav Holst)管弦乐组曲《行星》(The Planets)的原始片段。科学家们用这个声音片段来测试一种方法，这种方法可以重现恒星内部类似声音的特性。图片来源:E.H.安德斯等人/《自然·天文学nomy 2023

古斯塔夫·霍尔斯特(Gustav Holst)管弦乐组曲《行星》(The Planets)中的一段剪辑，使用了一个过滤器，复制了波在一颗质量是太阳三倍的大恒星中移动的过程。图片来源:E.H.安德斯等人/《自然·天文学nomy 2023

古斯塔夫·霍尔斯特(Gustav Holst)管弦乐组曲《行星》(The Planets)中的一段剪辑，使用了一个过滤器，复制了波在一颗质量是太阳15倍的大恒星中传播的过程。图片来源:E.H.安德斯等人/《自然·天文学nomy 2023

古斯塔夫·霍尔斯特(Gustav Holst)管弦乐组曲《行星》(The Planets)中的一段剪辑使用了一个过滤器，该过滤器复制了波在一颗质量为太阳40倍的大恒星中传播的过程。图片来源:E.H.安德斯等人/《自然·天文学nomy 2023

模拟闪烁的星星

在验证了他们的方法之后，研究人员模拟了质量分别是太阳3倍、15倍和40倍的恒星的对流诱导波和由此产生的星光波动。对于这三种大小，核心对流确实在表面附近引起了闪烁的光强度，但不是天文学家所看到的红噪声的频率或强度特征。

对流可能仍然是红噪声的原因，坎蒂洛说，但它可能更接近恒星的表面，因此不太能说明恒星深处内部发生了什么。

期待

研究人员现在正在改进他们的模拟，以考虑额外的影响，例如恒星围绕其轴的快速旋转，这是比我们的太阳更大的恒星的共同特征。他们很好奇，快速旋转的恒星是否有足够强的闪烁，由核心对流引起，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。

参考文献:“由核心对流激发的重力波引起的大质量恒星的光度变化”，2023年7月27日，《自然天文学》。DOI: 10.1038 / s41550 - 023 - 02040 - 7