Dans la zone (de convection) : les astronomes écoutent le « scintillement » inné des étoiles

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Science 101 nous apprend que l’apparence scintillante des étoiles depuis notre point d’observation sur Terre est due aux effets atmosphériques : les vents et les variations de température et de densité dans l’air plient et déforment la lumière. Mais les étoiles ont une autre sorte de « scintillement » produit par la façon dont les gaz ondulent sous forme d’ondes sur leur surface, un effet qui pourrait fournir aux astronomes un moyen pratique d’explorer l’intérieur des étoiles massives pour en savoir plus sur la façon dont elles se forment et évoluent. Mais l’effet est beaucoup trop faible pour être facilement détecté par les télescopes.

Les scientifiques ont donc développé les premières simulations 3D de ce scintillement inné, selon un article récent publié dans la revue Nature Astronomy. En prime, les chercheurs ont converti les données de ces vagues de gaz ondulantes en un son audible, nous pouvons donc désormais tous prendre un moment pour écouter « Twinkle, Twinkle, Little Star » (voir vidéo ci-dessus) et « Jupiter » de Gustav Holst. (voir vidéo ci-dessous) dans le « langage » des stars.

« Les mouvements au cœur des étoiles déclenchent des vagues comme celles de l’océan », a déclaré le co-auteur Evan Anders de l’Université Northwestern. « Lorsque les ondes arrivent à la surface de l’étoile, elles la font scintiller d’une manière que les astronomes pourront peut-être observer. Pour la première fois, nous avons développé des modèles informatiques qui nous permettent de déterminer l’intensité du scintillement d’une étoile sous l’effet de ces ondes. Ce travail permettra aux futurs télescopes spatiaux de sonder les régions centrales où les étoiles forgent les éléments dont nous dépendons pour vivre et respirer.

La caractéristique essentielle de ces dernières recherches est ce que l’on appelle la « zone de convection », que l’on trouve généralement près de la surface, bien qu’elle puisse également persister plus profondément dans l’étoile. (Les étoiles peuvent également développer des zones de convection près du noyau.) Notre Soleil, par exemple, possède une enveloppe convective s’étendant de sa surface jusqu’à environ un tiers de sa distance vers son noyau. La convection stellaire est ce qui déplace la matière des couches les plus profondes et les plus chaudes de l’étoile vers les couches externes les plus froides, et la matière de ces couches externes vers les couches internes les plus chaudes.

La convection est également un mécanisme proposé pour les signaux dits de « bruit rouge » que les astronomes ont observés dans les courbes de lumière photométriques des étoiles chaudes et massives – une pulsation mystérieuse qui provoque des fluctuations de la luminosité des étoiles. Plus précisément, il a été suggéré que la convection centrale, ou la turbulence provenant des zones de convection souterraines, pourrait produire des ondes de gravité qui se propageraient vers la surface. Ces ondes compresseraient et décompresseraient le plasma, produisant des fluctuations de luminosité dans la lumière de l’étoile. Anders et ses collègues ont développé leurs simulations en partie pour tester cette hypothèse. Le défi : pendant que certaines vagues remontent à la surface, d’autres restent piégées en dessous et rebondissent. Il leur fallait donc un moyen de distinguer les deux types d’ondes.

Pour ce faire, ils se sont tournés vers une analogie acoustique. « Le caractère de la musique dépend à la fois des ondes sonores produites par les musiciens et de l’acoustique de l’environnement dans lequel elle est jouée », écrivent les auteurs. « La musique est enregistrée dans des studios spéciaux dotés de murs qui absorbent ou diffusent les ondes pour minimiser l’influence de l’environnement sur le son et récupérer le « son pur » des musiciens. Pour expérimenter la musique dans un environnement différent, il n’est pas nécessaire de transporter physiquement les musiciens ; à la place, on peut appliquer un filtre à l’enregistrement, imitant les effets du nouvel environnement.

L’équipe a adopté une stratégie similaire, en exécutant de courtes simulations d’ondes générées par la convection et en enregistrant les ondes lorsqu’elles se déplaçaient au-delà de la zone de convection. Tout d’abord, ils ont construit un modèle pour calculer le « chant » de base de ces ondes de convection – techniquement, la variabilité photométrique des ondes de gravité – puis ils ont appliqué un filtre pour reproduire les propriétés acoustiques de l’étoile, semblable aux filtres d’amortissement utilisés dans un enregistrement. studio. Une fois cette approche validée, Anders et autres. a effectué des simulations de convection pour des étoiles dont la masse est de trois, 15 et 40 fois celle de notre Soleil. Celles-ci montraient à quoi devraient ressembler ces ondes vues à travers un télescope.

Quant à la sonification, la convection d’une étoile produit des ondes qui correspondent à différents sons. « Les étoiles plus petites de notre étude ressemblent davantage au violon, où elles émettent des bruits plus aigus car elles ont une cavité d’onde plus petite, tout comme un violon a une cavité d’onde plus petite », a déclaré Anders au New Scientist. « Et nos plus grandes étoiles ont une cavité ondulatoire plus grande, tout comme un violoncelle a une cavité ondulatoire plus grande, donc elles ont des bruits plus profonds. » Ils ont utilisé leur modèle pour découvrir à quoi ressemblerait une chanson si on l’entendait se propager à travers une étoile en l’appliquant à de la vraie musique. « Les étoiles changent la musique et, en conséquence, changent l’apparence des vagues si nous les voyions scintiller à la surface de l’étoile », a déclaré Anders.

Les simulations ont également révélé que le scintillement attribuable à la convection du noyau est tout simplement trop faible pour expliquer pleinement l’effet de bruit rouge observé dans les étoiles massives. Il est possible que la convection plus proche de la surface de l’étoile puisse expliquer le bruit rouge, mais selon le co-auteur Matteo Cantiello du Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute à New York, cela en dirait moins aux astronomes sur les processus qui se produisent au plus profond de l’intérieur de l’étoile. . La prochaine étape consistera à améliorer leurs simulations pour prendre en compte d’autres effets, comme une étoile tournant rapidement autour de son axe, ce qui pourrait produire un scintillement suffisamment fort pour être détecté par les télescopes.

DOI : Nature Astronomy, 2023. 10.1038/s41550-023-02040-7 (À propos des DOI).

Image de la liste par EH Anders et al., 2023

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