Mucha gente sabe que las estrellas titilan porque nuestra atmósfera desvía la luz de las estrellas cuando llega a la Tierra. Pero las estrellas también tienen un "centelleo" natural, causado por ondulaciones de gas en su superficie, que actualmente es indetectable con los telescopios terrestres. En un nuevo estudio, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado la primera simulación tridimensional de la energía que se propaga desde el núcleo de una estrella masiva hasta su superficie exterior. Utilizando estos nuevos modelos, los investigadores han determinado por primera vez cuánto deberían parpadear naturalmente las estrellas.
Científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado por primera vez una tecnología de simulación tridimensional para estudiar las ondas de energía desde el núcleo hasta la superficie exterior de una estrella masiva, proporcionando una nueva perspectiva sobre el "centelleo" inherente de las estrellas. El equipo también convirtió estas ondas en sonido, permitiendo a los oyentes "escuchar" el interior de la estrella y su parpadeo natural. Fuente: E.H.Andersetal.
El equipo también convirtió estas ondas de gas en ondas sonoras por primera vez, lo que permitió a los oyentes escuchar los sonidos del interior de la estrella y los "brillos". Es tan fascinante. La investigación fue publicada en la revista Nature Astronomy.
"El movimiento del núcleo de una estrella crea ondas como las de un océano", dijo Evan Anders de la Universidad Northwestern, quien dirigió el estudio. "Cuando las ondas alcanzan la superficie de la estrella, hacen que la estrella parpadee y los astrónomos pueden observar este parpadeo. Por primera vez, hemos desarrollado un modelo informático que nos permite determinar cuánto parpadea la estrella debido a estas ondas. Este trabajo permitirá que futuros telescopios espaciales detecten la región central donde las estrellas forjan los elementos en los que vivimos y respiramos".
Anders es becario postdoctoral en el Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA) de la Universidad Northwestern. Daniel Lecoanet, coautor del informe del estudio, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y matemáticas aplicadas en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern y miembro de CIERA, brindó orientación.
Una simulación tridimensional de cómo la convección turbulenta en el núcleo (centro) de una estrella grande crea ondas que se expanden hacia afuera y resuenan cerca de la superficie de la estrella. Al estudiar los cambios en el brillo de una estrella causados por las vibraciones, algún día los científicos podrán comprender mejor los procesos que se producen en lo profundo de los núcleos de las estrellas grandes. Fuente de la imagen: E.H.Anders et al./"Nature-Astronomy" 2023
Todas las estrellas tienen una zona de convección, una región caótica y volátil donde el gas se agita, empujando el calor hacia afuera. En el caso de estrellas masivas (al menos 1,2 veces la masa del Sol), la zona de convección se encuentra en el núcleo de la estrella.
Las corrientes de convección dentro de las estrellas son similares a los procesos que alimentan las tormentas eléctricas. El aire enfriado baja, se calienta y vuelve a subir. Este es un proceso turbulento que transporta calor. También crea ondas: pequeños arroyos que hacen que la luz de las estrellas se atenúe y se ilumine, creando destellos sutiles. Debido a que los núcleos de las estrellas masivas están oscurecidos, Anders y su equipo intentaron simular sus corrientes de convección ocultas. Después de estudiar las propiedades de la convección en el núcleo turbulento, las características de las ondas y las características de observación que estas ondas podrían tener, la nueva simulación del equipo incorpora toda la física relevante para predecir con precisión cómo cambia el brillo de la estrella en respuesta a las ondas generadas por la convección.
Después de que la convección crea ondas, estas ondas rebotan dentro de la estrella simulada. Algunas ondas terminan en la superficie de la estrella, creando un efecto centelleante, mientras que otras quedan atrapadas y continúan rebotando. Para aislar las ondas que se emiten a la superficie y crear el efecto de centelleo, Anders y su equipo construyeron un filtro que describe cómo las ondas rebotan dentro de la estrella simulada.
"Primero colocamos una capa amortiguadora alrededor de la estrella, como las paredes acolchadas de un estudio de grabación, para poder medir exactamente cómo la convección del núcleo crea las ondas", explica Anders.
Anders lo compara con un estudio de música, utilizando paredes acolchadas e insonorizadas para minimizar la acústica del entorno para que los músicos puedan extraer el "sonido puro" de la música. Luego, los músicos aplican filtros y diseñan estas grabaciones para lograr el efecto deseado.
Juega a "Júpiter" de Gustav Holst a través de tres tamaños de estrellas masivas. Fuente: Universidad del Noroeste
Asimismo, Anders y sus colaboradores aplicaron su filtro a las ondas puras que midieron que emanaban del núcleo convectivo. Luego rastrearon las ondas que rebotaban alrededor de una estrella modelo y finalmente descubrieron que su filtro describía con precisión cómo la estrella alteraba las ondas provenientes del núcleo. Luego, los investigadores desarrollaron un filtro diferente que describe cómo las ondas rebotan dentro de las estrellas reales. Después de aplicar este filtro, la simulación resultante muestra cómo los astrónomos esperan que aparezcan las ondas cuando se observan a través de potentes telescopios.
"El brillo o la atenuación de una estrella depende de varios cambios dinámicos que ocurren dentro de la estrella", dijo Anders. "El parpadeo causado por estas ondas es tan sutil que nuestros ojos no son lo suficientemente sensibles para verlo. Pero en el futuro, poderosos telescopios podrán detectarlo".
Anders y sus colaboradores llevaron la analogía del estudio de grabación un paso más allá y luego produjeron sonidos usando analógico. Debido a que estas ondas están más allá del alcance del oído humano, los investigadores aumentaron uniformemente la frecuencia de las ondas, haciéndolas claramente audibles.
Dependiendo del tamaño o del brillo de la estrella masiva, las ondas producidas por convección corresponden a diferentes sonidos. Las ondas del núcleo de una gran estrella, por ejemplo, suenan como un cañón de rayos giratorio que atraviesa el paisaje alienígena. Pero cuando estas ondas llegan a la superficie de la estrella, la estrella cambia estos sonidos. En las estrellas grandes, los pulsos similares a pistolas de rayos se convierten en ecos bajos que reverberan en habitaciones vacías. Las ondas en la superficie de las estrellas de tamaño mediano, por el contrario, recuerdan el zumbido constante producido por los terremotos impulsados por el viento. Y las ondas en la superficie de la pequeña estrella suenan como las suaves sirenas de una sirena meteorológica.
Las imágenes de Little Star se reproducen a través de tres tamaños de estrellas masivas. Fuente: Universidad del Noroeste
Luego, Anders y su equipo tocaron la canción a través de diferentes estrellas y escucharon cómo las estrellas cambiaban la canción. Pasaron breves clips de audio de "Jupiter" (un movimiento de la suite orquestal "The Planets" del compositor Gustav Holst) y "Twinkle Twinkle" a través de enormes estrellas de tres tamaños (grande, mediana y pequeña). Mientras viajan a través de las estrellas, todas las canciones suenan distantes y persistentes, como canciones de "Alicia en el país de las maravillas".
"Teníamos curiosidad por saber cómo sonaría una canción si viajara a través de una estrella", dijo Anders. "La estrella cambia la música y, a su vez, cambia el aspecto que tendrían las ondas si las viéramos destellar a través de la superficie de la estrella".