يعرف الكثير من الناس أن النجوم تتلألأ لأن غلافنا الجوي يحني ضوء النجوم عند وصوله إلى الأرض. لكن النجوم لديها أيضًا "وميض" طبيعي - ناتج عن تموجات الغاز على سطحها - وهو أمر لا يمكن اكتشافه حاليًا بواسطة التلسكوبات الموجودة على الأرض. في دراسة جديدة، قام فريق من الباحثين بقيادة جامعة نورث وسترن بتطوير أول محاكاة ثلاثية الأبعاد لامواج الطاقة من قلب نجم ضخم إلى سطحه الخارجي. وباستخدام هذه النماذج الجديدة، تمكن الباحثون لأول مرة من تحديد مقدار وميض النجوم بشكل طبيعي.
طور العلماء في جامعة نورث وسترن لأول مرة تقنية محاكاة ثلاثية الأبعاد لدراسة تموجات الطاقة من القلب إلى السطح الخارجي لنجم ضخم، مما يوفر منظورًا جديدًا حول "التلألؤ" المتأصل في النجوم. وقام الفريق أيضًا بتحويل هذه الموجات إلى صوت، مما يسمح للمستمعين "بسماع" الجزء الداخلي للنجم ووميضه الطبيعي. المصدر: E. H. أندرسيتال.
كما قام الفريق أيضًا بتحويل تموجات الغاز هذه إلى موجات صوتية لأول مرة، مما يسمح للمستمعين بسماع الأصوات الموجودة داخل النجم و"الوميض". انها رائعة جدا. ونُشر البحث في مجلة Nature Astronomy.
وقال إيفان أندرس من جامعة نورث وسترن الذي قاد الدراسة: "إن حركة قلب النجم تخلق موجات مثل المحيط". "عندما تصل الموجات إلى سطح النجم، فإنها تتسبب في وميض النجم، وقد يتمكن علماء الفلك من ملاحظة هذا الوميض. ولأول مرة، قمنا بتطوير نموذج حاسوبي يسمح لنا بتحديد مقدار وميض النجم بسبب هذه الموجات. ويتيح هذا العمل للتلسكوبات الفضائية المستقبلية اكتشاف المنطقة المركزية حيث تشكل النجوم العناصر التي نعيشها ونتنفسها."
أندرس هو زميل ما بعد الدكتوراه في مركز جامعة نورث وسترن للاستكشاف والأبحاث متعددة التخصصات في الفيزياء الفلكية (CIERA). قدم دانيال ليكوانيت، المؤلف المشارك لتقرير الدراسة، والأستاذ المساعد في علوم الهندسة والرياضيات التطبيقية في كلية ماكورميك للهندسة بجامعة نورث وسترن وعضو CIERA، التوجيه.
محاكاة ثلاثية الأبعاد لكيفية إنشاء الحمل الحراري المضطرب في قلب نجم كبير (في المركز) تموجات تتموج إلى الخارج ويتردد صداها بالقرب من سطح النجم. من خلال دراسة التغيرات في سطوع النجم الناجمة عن الاهتزازات، قد يتمكن العلماء يومًا ما من فهم العمليات العميقة داخل قلب النجوم الكبيرة بشكل أفضل. مصدر الصورة: E.H.Anders et al./"Nature-Astronomy" 2023
تحتوي جميع النجوم على منطقة الحمل الحراري، وهي منطقة متقلبة وفوضوية حيث يتدفق الغاز، ويدفع الحرارة إلى الخارج. بالنسبة للنجوم الضخمة (على الأقل 1.2 مرة كتلة الشمس)، تقع منطقة الحمل الحراري في قلب النجم.
تشبه تيارات الحمل الحراري داخل النجوم العمليات التي تغذي العواصف الرعدية. يسقط الهواء البارد، ويسخن، ويرتفع مرة أخرى. هذه عملية مضطربة تنقل الحرارة. كما أنها تخلق موجات - تيارات صغيرة تتسبب في تعتيم ضوء النجوم وسطوعه، مما يؤدي إلى وميض دقيق. ولأن نوى النجوم الضخمة محجوبة، حاول أندرس وفريقه محاكاة تيارات الحمل الحراري الخفية. بعد دراسة خصائص الحمل الحراري في القلب المضطرب، وخصائص الموجات، وخصائص المراقبة التي قد تمتلكها هذه الموجات، تتضمن المحاكاة الجديدة للفريق جميع الفيزياء ذات الصلة للتنبؤ بدقة بكيفية تغير سطوع النجم استجابةً للموجات الناتجة عن الحمل الحراري.
بعد أن يخلق الحمل الحراري موجات، ترتد هذه الموجات داخل النجم المحاكي. تنتهي بعض الموجات على سطح النجم، مما يخلق تأثيرًا متألقًا، بينما تنحصر موجات أخرى وتستمر في الارتداد. لعزل الموجات المنبعثة إلى السطح وخلق تأثير التلألؤ، قام أندرس وفريقه ببناء مرشح يصف كيفية ارتداد الموجات داخل النجم المحاكى.
يشرح أندرس: "لقد وضعنا أولاً طبقة تخميد حول النجم - مثل الجدران المبطنة في استوديو التسجيل - حتى نتمكن من قياس بالضبط كيف يخلق الحمل الحراري الأساسي الموجات".
يشبهه أندرس باستوديو الموسيقى، حيث يستخدم جدرانًا مبطنة عازلة للصوت لتقليل الصوتيات في البيئة حتى يتمكن الموسيقيون من استخلاص "الصوت النقي" للموسيقى. يقوم الموسيقيون بعد ذلك بتطبيق المرشحات وهندسة هذه التسجيلات لتحقيق التأثيرات المرجوة.
قم بتشغيل "Jupiter" لـ Gustav Holst من خلال ثلاثة أحجام من النجوم الضخمة. المصدر: جامعة نورث وسترن
وبالمثل، قام أندرس ومعاونوه بتطبيق مرشحهم على الموجات النقية التي قاسوها المنبعثة من قلب الحمل الحراري. ثم قاموا بتتبع الموجات المرتدة حول نجم نموذجي، ووجدوا في النهاية أن مرشحهم يصف بدقة كيف قام النجم بتغيير الموجات القادمة من القلب. ثم طور الباحثون مرشحًا مختلفًا يصف كيفية ارتداد الموجات داخل النجوم الحقيقية. وبعد تطبيق هذا المرشح، تظهر المحاكاة الناتجة كيف يتوقع علماء الفلك ظهور الموجات عند رصدها من خلال التلسكوبات القوية.
وقال أندرس: "يعتمد سطوع النجم أو تعتيمه على التغيرات الديناميكية المختلفة التي تحدث داخل النجم". "إن الوميض الناجم عن هذه الموجات دقيق للغاية لدرجة أن أعيننا ليست حساسة بما يكفي لرؤيته. لكن التلسكوبات القوية في المستقبل قد تكون قادرة على اكتشافه."
أخذ أندرس ومعاونوه تشبيه استوديو التسجيل خطوة أخرى للأمام ثم أنتجوا الأصوات باستخدام التناظرية. ولأن هذه الموجات تقع خارج نطاق السمع البشري، فقد قام الباحثون بزيادة تردد الموجات بالتساوي، مما يجعلها مسموعة بوضوح.
اعتمادًا على حجم أو سطوع النجم الضخم، فإن الموجات الناتجة عن الحمل الحراري تتوافق مع أصوات مختلفة. على سبيل المثال، تبدو الموجات الصادرة من قلب نجم كبير وكأنها مدفع شعاعي ملتوي ينفجر عبر المناظر الطبيعية الفضائية. ولكن عندما تصل هذه الموجات إلى سطح النجم، يقوم النجم بتغيير هذه الأصوات. بالنسبة للنجوم الكبيرة، تتحول النبضات الشبيهة بمدفع الأشعة إلى أصداء منخفضة يتردد صداها عبر الغرف الفارغة. ومن ناحية أخرى، فإن الموجات الموجودة على سطح النجوم متوسطة الحجم تذكرنا بصوت الطنين المستمر الناتج عن الزلازل التي تحركها الرياح. والأمواج الموجودة على سطح النجم الصغير تبدو مثل صفارات الإنذار اللطيفة لصفارات الإنذار الخاصة بالطقس.
يتم تشغيل صور Little Star من خلال ثلاثة أحجام من النجوم الضخمة. المصدر: جامعة نورث وسترن
بعد ذلك، قام أندرس وفريقه بتشغيل الأغنية من خلال نجوم مختلفين واستمعوا إلى كيفية تغيير النجوم للأغنية. قاموا بتمرير مقاطع صوتية قصيرة لأغنية "Jupiter" (حركة من المجموعة الأوركسترالية للملحن غوستاف هولست "The Planets") و"Twinkle Twinkle" من خلال نجوم ضخمة من ثلاثة أحجام (كبيرة ومتوسطة وصغيرة). أثناء سفرهم عبر النجوم، تبدو جميع الأغاني بعيدة وعالقة - مثل أغاني "أليس في بلاد العجائب".
وقال أندرس: "لقد كنا فضوليين بشأن الشكل الذي ستبدو عليه الأغنية إذا سافرت عبر نجم". "يغير النجم الموسيقى، ويغير بدوره الشكل الذي ستبدو عليه الأمواج إذا رأيناها تومض عبر سطح النجم."