Nhiều người biết rằng các ngôi sao lấp lánh là do bầu khí quyển của chúng ta bẻ cong ánh sáng sao khi nó tới Trái đất. Nhưng các ngôi sao cũng có hiện tượng "lấp lánh" tự nhiên - gây ra bởi những gợn sóng khí trên bề mặt của chúng - hiện tượng này hiện không thể phát hiện được bằng kính viễn vọng trên Trái đất. Trong một nghiên cứu mới, một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern dẫn đầu đã phát triển mô phỏng ba chiều đầu tiên về gợn sóng năng lượng từ lõi của một ngôi sao lớn đến bề mặt bên ngoài của nó. Sử dụng những mô hình mới này, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã xác định được số lượng các ngôi sao sẽ lấp lánh một cách tự nhiên.
Các nhà khoa học tại Đại học Northwestern lần đầu tiên đã phát triển công nghệ mô phỏng ba chiều để nghiên cứu các gợn sóng năng lượng từ lõi của một ngôi sao lớn đến bề mặt bên ngoài, mang đến một góc nhìn mới về sự "lấp lánh" vốn có của các ngôi sao. Nhóm nghiên cứu còn chuyển đổi những sóng này thành âm thanh, cho phép người nghe “nghe thấy” bên trong ngôi sao và sự nhấp nháy tự nhiên của nó. Nguồn: E.H. Andersetal.
Nhóm nghiên cứu cũng lần đầu tiên chuyển đổi những gợn sóng khí này thành sóng âm thanh, cho phép người nghe nghe được âm thanh bên trong ngôi sao và "lấp lánh". Nó thật hấp dẫn. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên.
Evan Anders thuộc Đại học Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: "Chuyển động của lõi ngôi sao tạo ra các sóng giống như đại dương. Khi sóng chạm tới bề mặt ngôi sao, chúng khiến ngôi sao nhấp nháy và các nhà thiên văn học có thể quan sát được sự nhấp nháy này. Lần đầu tiên chúng tôi đã phát triển một mô hình máy tính. Cho phép chúng tôi xác định mức độ nhấp nháy của các ngôi sao dưới tác động của các sóng này. Công trình này cho phép các kính viễn vọng không gian trong tương lai thăm dò khu vực trung tâm nơi các ngôi sao tạo nên các nguyên tố mà chúng ta sống và thở."
Anders là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Nghiên cứu và Khám phá Liên ngành về Vật lý Thiên văn (CIERA) của Đại học Northwestern. Daniel Lecoanet, đồng tác giả của báo cáo nghiên cứu, trợ lý giáo sư về khoa học kỹ thuật và toán ứng dụng tại Trường Kỹ thuật McCormick của Đại học Northwestern và là thành viên CIERA, đã đưa ra hướng dẫn.
Mô phỏng ba chiều về cách sự đối lưu hỗn loạn trong lõi của một ngôi sao lớn (ở giữa) tạo ra các gợn sóng gợn sóng ra bên ngoài và cộng hưởng gần bề mặt của ngôi sao. Bằng cách nghiên cứu những thay đổi về độ sáng của một ngôi sao do rung động gây ra, một ngày nào đó các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về các quá trình sâu bên trong lõi của các ngôi sao lớn. Nguồn ảnh: E.H. Anders et al./Nature Astronomy 2023
Tất cả các ngôi sao đều có vùng đối lưu, một vùng hỗn loạn, dễ bay hơi, nơi khí khuấy động, đẩy nhiệt ra bên ngoài. Đối với những ngôi sao có khối lượng lớn (ít nhất gấp 1,2 lần khối lượng Mặt trời), vùng đối lưu nằm ở lõi của ngôi sao.
Sự đối lưu bên trong các ngôi sao tương tự như quá trình tạo ra giông bão. Không khí được làm mát rơi xuống, nóng lên và bay lên trở lại. Đây là một quá trình hỗn loạn vận chuyển nhiệt. Nó còn tạo ra các làn sóng - những dòng chảy nhỏ làm cho ánh sáng sao mờ đi và sáng lên, tạo ra những ánh sáng lấp lánh tinh tế. Do lõi của các ngôi sao nặng bị che khuất nên Anders và nhóm của ông đã cố gắng mô phỏng các dòng đối lưu ẩn giấu của chúng. Sau khi nghiên cứu các đặc tính của sự đối lưu trong lõi hỗn loạn, đặc điểm của sóng và các đặc điểm quan sát mà các sóng này có thể có, mô phỏng mới của nhóm kết hợp tất cả các cơ sở vật lý liên quan để dự đoán chính xác độ sáng của ngôi sao thay đổi như thế nào trước các sóng được tạo ra bởi sự đối lưu.
Sau khi đối lưu tạo ra sóng, các sóng này nảy xung quanh bên trong ngôi sao mô phỏng. Một số sóng kết thúc trên bề mặt ngôi sao, tạo ra hiệu ứng lấp lánh, trong khi những sóng khác bị mắc kẹt và tiếp tục nảy xung quanh. Để cô lập các sóng phát ra bề mặt và tạo ra hiệu ứng nhấp nháy, Anders và nhóm của ông đã chế tạo một bộ lọc mô tả cách các sóng dội lại bên trong ngôi sao mô phỏng.
Anders giải thích: “Trước tiên, chúng tôi đặt một lớp giảm chấn xung quanh ngôi sao – giống như một bức tường đệm trong phòng thu âm – để chúng tôi có thể đo chính xác sự đối lưu lõi tạo ra sóng như thế nào”. Anders ví nó như một phòng thu âm nhạc, sử dụng những bức tường đệm cách âm để giảm thiểu âm thanh của môi trường để các nhạc sĩ có thể trích xuất được “âm thanh thuần khiết” của bản nhạc. Sau đó, các nhạc sĩ áp dụng các bộ lọc và thiết kế các bản ghi âm này để đạt được hiệu quả mong muốn.
Phát "Sao Mộc" của Gustav Holst thông qua các ngôi sao khổng lồ có ba kích cỡ. Nguồn: Đại học Northwestern
Tương tự, Anders và các cộng sự đã áp dụng bộ lọc của họ cho các sóng thuần mà họ đo được phát ra từ lõi đối lưu. Sau đó, họ theo dõi các sóng nảy xung quanh một ngôi sao mẫu và cuối cùng phát hiện ra rằng bộ lọc của họ mô tả chính xác cách ngôi sao thay đổi các sóng phát ra từ lõi. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một bộ lọc khác mô tả cách sóng dội lại bên trong các ngôi sao thực. Sau khi áp dụng bộ lọc này, mô phỏng thu được cho thấy các nhà thiên văn học mong đợi sóng xuất hiện như thế nào khi quan sát qua kính thiên văn mạnh.
Anders cho biết: "Việc một ngôi sao sáng lên hay mờ đi phụ thuộc vào nhiều thay đổi động lực xảy ra bên trong ngôi sao. Sự nhấp nháy do những sóng này gây ra rất tinh tế đến nỗi mắt chúng ta không đủ nhạy để nhìn thấy chúng. Nhưng những kính viễn vọng mạnh mẽ trong tương lai có thể phát hiện ra nó." tiếp theo sử dụng mô phỏng để tạo ra âm thanh. Vì những sóng này nằm ngoài phạm vi thính giác của con người nên các nhà nghiên cứu đã tăng tần số của sóng một cách đồng đều, khiến chúng có thể nghe được rõ ràng.
Các sóng tạo ra bởi sự đối lưu tương ứng với các âm thanh khác nhau tùy thuộc vào kích thước hoặc độ sáng của ngôi sao lớn. Ví dụ, sóng từ lõi của một ngôi sao lớn phát ra âm thanh giống như tiếng súng bắn tia xoắn nổ xuyên qua khung cảnh ngoài hành tinh. Nhưng khi những sóng này chạm tới bề mặt ngôi sao, ngôi sao sẽ thay đổi những âm thanh này. Đối với những ngôi sao lớn, các xung giống như súng bắn tia biến thành những tiếng vọng thấp vang vọng khắp những căn phòng trống. Mặt khác, sóng trên bề mặt của các ngôi sao cỡ trung bình gợi nhớ đến âm thanh vo ve liên tục do động đất do gió tạo ra. Và những đợt sóng trên bề mặt của ngôi sao nhỏ nghe giống như tiếng còi báo động nhẹ nhàng của còi báo thời tiết.
Phát hình ảnh của Ngôi sao nhỏ thông qua các ngôi sao lớn ở ba kích cỡ. Nguồn: Đại học Northwestern
Tiếp theo, Anders và nhóm của anh ấy chơi bài hát qua các ngôi sao khác nhau và lắng nghe xem các ngôi sao đã thay đổi bài hát như thế nào. Họ truyền các đoạn âm thanh ngắn của "Jupiter" (một phong trào từ tổ khúc "The Planets" cho dàn nhạc của nhà soạn nhạc Gustav Holst) và "Twinkle Twinkle" qua các ngôi sao khổng lồ có ba kích cỡ (lớn, vừa và nhỏ). Khi họ du hành qua các vì sao, tất cả các bài hát đều nghe xa xăm và vương vấn -- giống như những bài hát trong "Alice in Wonderland".
Anders nói: "Chúng tôi tò mò về âm thanh của một bài hát nếu nó truyền qua một ngôi sao. Ngôi sao thay đổi nhạc và đến lượt nó, sẽ thay đổi nó sẽ như thế nào nếu chúng tôi nhìn thấy những con sóng nhấp nháy trên bề mặt của ngôi sao."