Muitas pessoas sabem que as estrelas brilham porque a nossa atmosfera desvia a luz das estrelas à medida que atinge a Terra. Mas as estrelas também têm uma “cintilação” natural – causada por ondulações de gás na sua superfície – que atualmente é indetectável pelos telescópios na Terra. Num novo estudo, uma equipa de investigadores liderada pela Northwestern University desenvolveu a primeira simulação tridimensional da energia que se propaga desde o núcleo de uma estrela massiva até à sua superfície exterior. Usando estes novos modelos, os investigadores determinaram pela primeira vez a quantidade de estrelas que deveriam brilhar naturalmente.
Cientistas da Northwestern University desenvolveram pela primeira vez uma tecnologia de simulação tridimensional para estudar as ondulações de energia do núcleo até a superfície externa de uma estrela massiva, fornecendo uma nova perspectiva sobre a "cintilação" inerente das estrelas. A equipe também converteu essas ondas em som, permitindo aos ouvintes “ouvir” o interior da estrela e sua oscilação natural. Fonte: E.H.Andersetal.
A equipe também converteu essas ondulações de gás em ondas sonoras pela primeira vez, permitindo aos ouvintes ouvir os sons do interior da estrela e "vibrações". É tão fascinante. A pesquisa foi publicada na revista Nature Astronomy.
“O movimento do núcleo de uma estrela cria ondas como as de um oceano”, disse Evan Anders, da Northwestern University, que liderou o estudo. "Quando as ondas atingem a superfície da estrela, fazem com que a estrela pisque, e os astrónomos poderão ser capazes de observar esta oscilação. Pela primeira vez, desenvolvemos um modelo computacional que nos permite determinar o quanto a estrela tremula devido a estas ondas. Este trabalho permite que futuros telescópios espaciais detectem a região central onde as estrelas forjam os elementos que vivemos e respiramos."
Anders é pós-doutorado no Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern University. Daniel Lecoanet, coautor do relatório do estudo, professor assistente de ciências da engenharia e matemática aplicada na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern University e membro do CIERA, forneceu orientação.
Uma simulação tridimensional de como a convecção turbulenta no núcleo (centro) de uma grande estrela cria ondulações que se espalham para fora e ressoam perto da superfície da estrela. Ao estudar as mudanças no brilho de uma estrela causadas por vibrações, os cientistas poderão um dia compreender melhor os processos profundos nos núcleos de grandes estrelas. Fonte da imagem: EHAnders et al./"Nature-Astronomy" 2023
Todas as estrelas têm uma zona de convecção, uma região caótica e volátil onde o gás se agita, empurrando o calor para fora. Para estrelas massivas (pelo menos 1,2 vezes a massa do Sol), a zona de convecção está localizada no núcleo da estrela.
As correntes de convecção dentro das estrelas são semelhantes aos processos que alimentam as tempestades. O ar resfriado desce, aquece e sobe novamente. Este é um processo turbulento que transporta calor. Ele também cria ondas - pequenos riachos que fazem com que a luz das estrelas diminua e aumente, criando brilhos sutis. Como os núcleos das estrelas massivas estão obscurecidos, Anders e a sua equipa tentaram simular as suas correntes de convecção ocultas. Depois de estudar as propriedades da convecção no núcleo turbulento, as características das ondas e as características observacionais que estas ondas podem ter, a nova simulação da equipa incorpora toda a física relevante para prever com precisão como o brilho da estrela muda em resposta às ondas geradas pela convecção.
Depois que a convecção cria ondas, essas ondas saltam dentro da estrela simulada. Algumas ondas acabam na superfície da estrela, criando um efeito cintilante, enquanto outras ficam presas e continuam a saltar. Para isolar as ondas emitidas para a superfície e criar o efeito de cintilação, Anders e a sua equipa construíram um filtro que descreve como as ondas saltam dentro da estrela simulada.
"Primeiro colocamos uma camada de amortecimento em torno da estrela - como as paredes acolchoadas de um estúdio de gravação - para que pudéssemos medir exatamente como a convecção do núcleo cria as ondas", explica Anders.
Anders compara-o a um estúdio de música, usando paredes acolchoadas à prova de som para minimizar a acústica do ambiente para que os músicos possam extrair o “som puro” da música. Os músicos então aplicam filtros e projetam essas gravações para obter os efeitos desejados.
Toque "Júpiter" de Gustav Holst através de três tamanhos de estrelas massivas. Fonte: Universidade Northwestern
Da mesma forma, Anders e seus colaboradores aplicaram seu filtro às ondas puras que mediram emanadas do núcleo convectivo. Eles então rastrearam as ondas que saltavam em torno de uma estrela modelo e, finalmente, descobriram que seu filtro descrevia com precisão como a estrela alterava as ondas provenientes do núcleo. Os pesquisadores desenvolveram então um filtro diferente que descreve como as ondas saltam dentro de estrelas reais. Depois de aplicar este filtro, a simulação resultante mostra como os astrônomos esperam que as ondas apareçam quando observadas através de telescópios poderosos.
“O brilho ou escurecimento de uma estrela depende de várias mudanças dinâmicas que ocorrem dentro da estrela”, disse Anders. "A cintilação causada por estas ondas é tão subtil que os nossos olhos não são sensíveis o suficiente para a ver. Mas telescópios poderosos no futuro poderão ser capazes de a detectar."
Anders e seus colaboradores levaram a analogia do estúdio de gravação um passo adiante e em seguida produziram sons usando analógico. Como essas ondas estão além do alcance da audição humana, os pesquisadores aumentaram uniformemente a frequência das ondas, tornando-as claramente audíveis.
Dependendo do tamanho ou do brilho da estrela massiva, as ondas produzidas pela convecção correspondem a sons diferentes. Ondas do núcleo de uma grande estrela, por exemplo, soam como uma arma de raios retorcida explodindo em uma paisagem alienígena. Mas quando estas ondas atingem a superfície da estrela, a estrela altera estes sons. Para estrelas grandes, os pulsos semelhantes a pistolas de raios transformam-se em ecos baixos que reverberam por salas vazias. As ondas na superfície de estrelas de tamanho médio, por outro lado, lembram o zumbido constante produzido por terremotos provocados pelo vento. E as ondas na superfície da pequena estrela soam como sirenes suaves de uma sirene meteorológica.
Os visuais de Little Star reproduzem três tamanhos de estrelas massivas. Fonte: Universidade Northwestern
Em seguida, Anders e sua equipe tocaram a música para diferentes estrelas e ouviram como as estrelas mudaram a música. Eles passaram pequenos clipes de áudio de "Júpiter" (um movimento da suíte orquestral "The Planets" do compositor Gustav Holst) e "Twinkle Twinkle" através de estrelas massivas de três tamanhos (grande, médio e pequeno). Enquanto viajam pelas estrelas, todas as músicas soam distantes e prolongadas – como músicas de “Alice no País das Maravilhas”.
“Estávamos curiosos para saber como soaria uma música se viajasse através de uma estrela”, disse Anders. "A estrela muda a música e, por sua vez, muda a aparência das ondas se as víssemos brilhando na superfície da estrela."