Зоряні «пісні»: як приховані частоти розкривають історію Галактики

У глибинах космосу, на відстані 2700 світлових років від Землі, група зірок у скупченні M⁶⁷ «співає» пісні, що розкривають їхні найпотаємніші секрети. Команда дослідників з Університету Нового Південного Уельсу (UNSW Sydney) розшифрувала ці зоряні «звуки», щоб краще зрозуміти вік, масу та еволюційні стадії цих небесних тіл. Використовуючи дані космічної місії NASA Kepler K2, вчені виявили ледь вловимі коливання — вібрації зірок, що діють як унікальні відбитки пальців, розкриваючи інформацію про їхні надра. Це відкриття, опубліковане 2 квітня у престижному журналі Nature, не лише проливає світло на життя окремих зірок, але й допомагає відтворити історію нашої галактики Чумацький Шлях та навіть оцінити потенціал планет для підтримки життя.

Дослідження, очолюване доктором Клаудією Рейєс під час її роботи над PhD у Школі фізики UNSW, зосередилося на 27 зірках у розсіяному зоряному скупченні M⁶⁷. Унікальність цього скупчення полягає в тому, що всі його зорі народилися приблизно одночасно, близько чотирьох мільярдів років тому, з однієї гігантської хмари газу. Це робить M⁶⁷ ідеальною природною лабораторією для вивчення зоряної еволюції. Хоча зорі в скупченні мають майже ідентичний хімічний склад, вони відрізняються за масою. Саме ця різниця у масі визначає швидкість їхньої еволюції: масивніші зорі «старіють» швидше за менш масивних побратимів.

«Коли ми вивчаємо зорі в скупченні, ми можемо побачити всю послідовність їхньої індивідуальної еволюції,» — пояснює доктор Рейєс. M⁶⁷ є особливо цінним об'єктом, оскільки містить широкий спектр зірок на різних стадіях гігантської гілки: від менших, менш еволюціонованих субгігантів до великих червоних гігантів, які наближаються до фінальних етапів свого життєвого циклу. Досі ніколи не вдавалося спостерігати такий широкий еволюційний діапазон зірок в межах одного скупчення з такою деталізацією, яку дозволяє метод астросейсмології — вивчення внутрішньої будови зір через їхні коливання.

Співавтор дослідження, професор Денніс Стелло, також зі Школи фізики UNSW, підкреслює важливість цього підходу: «Визначення віку зірки — одне з найскладніших завдань в астрономії, оскільки вік не відображається на її поверхні. Саме те, що відбувається всередині, свідчить про її вік.» Астросейсмологія дозволяє зазирнути всередину зірки, аналізуючи частоти її коливань. Подібно до того, як музичний інструмент вібрує на певних частотах, що залежать від його розміру, форми та матеріалу, зорі також «дзвенять» на характерних для них частотах. «Частота, з якою вібрує або „дзвенить“ інструмент, залежить від фізичних властивостей матерії, крізь яку проходить звук,» — пояснює професор Стелло, використовуючи музичну аналогію. «Зірки — те саме. Ви можете „почути“ зірку за тим, як вона дзвенить. Ми бачимо вібрацію — або ефект вібрації — звуку так само, як бачимо вібрацію струни скрипки.»

Звичайно, у космічному вакуумі звук у звичному розумінні не поширюється, оскільки немає середовища (частинок), яке могло б передавати звукові хвилі. Те, що вчені називають «звуком» зірок, насправді є ледь помітними змінами їхньої яскравості. Кожна зірка — це ніби куля газу, що дихає, періодично охолоджуючись і нагріваючись. Ці пульсації, спричинені хвилями тиску (звуковими хвилями), що поширюються всередині зірки, призводять до мікроскопічних змін її світності. Саме ці флуктуації яскравості фіксують чутливі телескопи, такі як Kepler, дозволяючи астрономам виміряти частоти зоряних коливань.

Більші, масивніші зорі генерують коливання з нижчими частотами, що відповідає глибшим «звукам». Менші зорі «звучать» на вищих частотах, подібно до високих нот. Причому кожна зірка не грає одну ноту — вона виконує цілу симфонію, що складається з безлічі різних частот, які походять з її надр. Аналізуючи цей складний частотний спектр, особливо малі та великі частотні розділення між різними модами коливань, вчені можуть визначити ключові параметри зірки: її щільність, температуру всередині, і, як наслідок, її масу та точний вік.

Оскільки зорі в скупченні M⁶⁷ за віком та складом подібні до нашого Сонця, вони пропонують унікальну можливість зазирнути в минуле та майбутнє нашої власної Сонячної системи. «Майже всі зорі спочатку формуються у скупченнях,» — говорить професор Стелло. «Це, по суті, великі родини з сотень або тисяч зірок, народжених з однієї великої газової хмари. Зазвичай вони поступово розсіюються, перетворюючись на випадковий набір зірок. Але деякі залишаються у групах — скупченнях. Ви можете бачити їх на небі як ділянки з великою кількістю зірок близько одна до одної, де вони все ще тісно пов'язані гравітацією, як скупчення, яке ми тут вивчали.» Тому вивчення M⁶⁷ допомагає зрозуміти умови, в яких народилося Сонце, і змоделювати його майбутню еволюцію, коли воно теж перетвориться на червоного гіганта.

Точне визначення віку та маси зірок має вирішальне значення для багатьох галузей астрономії. Воно необхідне для створення точних карт історії формування та еволюції Чумацького Шляху та інших галактик. Крім того, знання властивостей зірки є критично важливим для оцінки потенційної життєпридатності планет, що обертаються навколо неї. «Це дослідження дозволило нам дослідити фундаментальну фізику, що відбувається всередині зірок, глибоко в їхніх надрах, і фундаментальну фізику в цих екстремальних умовах,» — додає професор Стелло. «Це те, з чим ми все ще боремося. Для нас важливо створювати еволюційні моделі, яким ми можемо довіряти, щоб передбачити, що станеться не лише зі Сонцем, але й з іншими зорями, коли вони старіють.»

Доктор Рейєс зазначає, що деякі результати дослідження були неочікуваними. «Ми виявили дещо нове за допомогою цієї сигнатури у частотах,» — каже вона. Ця новознайдена залежність між різними типами частотних розділень у зірках-гігантах тепер може бути застосована для аналізу окремих зірок по всій Галактиці. Наступним кроком, за словами дослідників, є повернення до величезних архівів астрономічних даних, зібраних за роки спостережень, і пошук у них цих специфічних частотних сигнатур, на які раніше ніхто не звертав уваги. «І ми можемо зробити це, прислухаючись до зірок,» — підсумовує доктор Рейєс. Таким чином, мовчазний, на перший погляд, космос виявляється сповненим музики, яка розповідає історію Всесвіту тим, хто вміє її слухати.