星の光が地球に到達するときに大気によって曲げられるため、星がきらめくことは多くの人が知っています。しかし、星には、表面のガスの波紋によって引き起こされる自然の「シンチレーション」もあり、現在、地球上の望遠鏡では検出できません。新しい研究で、ノースウェスタン大学率いる研究チームは、大質量星の中心から外表面までエネルギーが波打つ初の三次元シミュレーションを開発した。研究者たちは、これらの新しいモデルを使用して、星が自然にどれだけ瞬くべきかを初めて決定しました。

ノースウェスタン大学の科学者らは、大質量星の核から外表面までのエネルギーの波紋を研究するための三次元シミュレーション技術を初めて開発し、星固有の「シンチレーション」について新たな視点を提供した。研究チームはまた、これらの波を音に変換し、リスナーが星の内部とその自然なちらつきを「聞く」ことができるようにしました。出典: E.H.Andersetal。

研究チームはまた、これらのガスの波紋を初めて音波に変換し、リスナーが星の内部の音と「きらめき」を聞くことができるようにした。とても魅力的ですね。この研究は雑誌『Nature Astronomy』に掲載された。

この研究を主導したノースウェスタン大学のエヴァン・アンダース氏は、「星の核の動きが海のような波を生み出す」と述べた。 「波が星の表面に到達すると、星がちらつきが生じ、天文学者はこのちらつきを観察できるかもしれません。私たちは初めて、これらの波によって星がどの程度ちらつくかを判断できるコンピューターモデルを開発しました。この研究により、将来の宇宙望遠鏡は、星が私たちが生き、呼吸する元素が形成される中心領域を検出できるようになります。」

アンダースは、ノースウェスタン大学の天体物理学学際探査研究センター (CIERA) の博士研究員です。研究報告書の共著者であり、ノースウェスタン大学マコーミック工学部の工学科学および応用数学の助教授であり、CIERA会員でもあるダニエル・ルコアネット氏が指導を行った。

大きな星のコア（中心）の乱流対流がどのように波紋を生み出し、それが外側に波紋を起こし、星の表面付近で共鳴するのかを 3 次元でシミュレーションします。振動によって引き起こされる星の明るさの変化を研究することで、科学者はいつか大きな星の核の奥深くにあるプロセスをよりよく理解できるようになるかもしれません。画像出典: E.H.Anders et al./「Nature-Astronomy」2023

すべての恒星には、ガスが渦巻いて熱を外側に押し出す揮発性の混沌とし​​た領域である対流帯があります。大質量星（太陽の質量の少なくとも 1.2 倍）の場合、対流ゾーンは星の中心部に位置します。

星の内部の対流は、雷雨を引き起こすプロセスに似ています。冷やされた空気は下降し、加熱されて再び上昇します。これは熱を運ぶ乱流プロセスです。また、波、つまり星の光が暗くなったり明るくなったりする小さな流れを生み出し、微妙なきらめきを生み出します。大質量星の核は隠されているため、アンダースと彼のチームは、その隠れた対流をシミュレートしようとしました。乱流コア内の対流の特性、波の特性、およびこれらの波が持つ可能性のある観測上の特徴を研究した後、チームの新しいシミュレーションには関連するすべての物理学が組み込まれており、対流によって生成される波に応じて星の明るさがどのように変化するかを正確に予測します。

対流が波を生成した後、これらの波はシミュレートされた星の内部で跳ね返ります。一部の波は星の表面に到達してきらめき効果を生み出しますが、他の波は閉じ込められて跳ね返り続けます。表面に放射される波を分離してシンチレーション効果を生み出すために、アンダース氏と彼のチームは、シミュレートされた星の中で波がどのように跳ね返るかを記述するフィルターを構築しました。

「私たちはまず、レコーディングスタジオのパッド入りの壁のように、星の周りに減衰層を置きました。そうすることで、中心の対流がどのように波を生み出すかを正確に測定できるようになりました」とアンダース氏は説明します。

アンダース氏は、ミュージシャンが音楽の「純粋なサウンド」を抽出できるように、防音パッド入りの壁を使用して環境の音響を最小限に抑え、これを音楽スタジオに例えています。次に、ミュージシャンはフィルターを適用し、これらの録音を調整して、希望する効果を実現します。

3 つのサイズの巨大な星を通してグスタフ ホルストの「ジュピター」を再生します。出典: ノースウェスタン大学

同様に、アンダースと彼の共同研究者らは、対流コアから発せられる測定された純粋な波にフィルターを適用しました。次に、モデルの星の周りで跳ね返る波を追跡し、最終的に、そのフィルターが星が中心から来る波をどのように変化させるかを正確に記述していることを発見しました。その後、研究者らは、実際の星の中で波がどのように跳ね返るかを記述する別のフィルターを開発しました。このフィルターを適用した後のシミュレーション結果は、強力な望遠鏡で観測したときに天文学者が波がどのように現れるかを予測していることを示しています。

「星の明るさや暗さは、星の内部で起こるさまざまな動的変化によって決まります」とアンダース氏は言う。 「これらの波によって引き起こされるちらつきは非常に微妙なので、私たちの目はそれを見ることができるほど敏感ではありません。しかし、将来の強力な望遠鏡はそれを検出できるかもしれません。」

アンダースと彼の共同制作者は、レコーディング スタジオのアナロジーをさらに一歩進め、次にアナログを使用してサウンドを制作しました。これらの波は人間の可聴範囲を超えているため、研究者らは波の周波数を均等に上げて、はっきりと聞こえるようにしました。

大質量星の大きさや明るさに応じて、対流によって生成される波は異なる音に対応します。たとえば、大きな星の中心からの波は、ねじれた光線銃が異星人の風景を横切って爆発するように聞こえます。しかし、これらの波が星の表面に到達すると、星は音を変えます。大きな星の場合、光線銃のようなパルスは低いエコーに変わり、誰もいない部屋に反響します。一方、中型の星の表面の波は、風による地震によって発生する絶え間ないブンブンという音を思い出させます。そして、小さな星の表面の波は、気象サイレンの当たり障りのないサイレンのように聞こえます。

リトル スターのビジュアルは、3 つのサイズの巨大な星を通して再生されます。出典: ノースウェスタン大学

次に、アンダースと彼のチームはさまざまな星を通してこの曲を再生し、星がどのように曲を変化させたかを聞きました。彼らは、「ジュピター」（作曲家グスタフ・ホルストのオーケストラ組曲「惑星」からの楽章）と「きらきら」の短いオーディオクリップを、3つのサイズ（大、中、小）の巨大な星を通して通過させました。星空を旅するとき、すべての曲は遠くに長く残り続けるように聞こえます。まるで「不思議の国のアリス」の曲のようです。

「私たちは、曲が星を通ったらどのように聞こえるだろうかということに興味がありました」とアンダース氏は語った。 「星は音楽を変え、その結果、星の表面を波が点滅するのを見た場合の波の見え方も変わります。」