Helioseizmologija i asteroseizmologija: kada zvijezde “sviraju orgulje”

Twinkle twinkle little star… Zvijezde žmirkaju i osciliraju. I imaju svoje potrese koje ne možemo direktno mjeriti, ali možemo indirektno da dođemo do podataka o svemu tome. Ovim se bavi jeda vrlo mlada nauka koja se zove astroseizmologija (asteroseizmologija). Indirektno mjerenje oscilacija na našem Suncu zove se helioseizmologija.

Naučnici mogu „slušati“ zvijezde i pratiti njihovo pulsiranje, promjene u sjaju, prouzrokovane unutrašnjim zvučnim pulsiranje. Odnosno, naučnici kao da koriste stetoskop za zvijezde. Oni mjere površinske manifestacije elektromagnetnih fluktuacija zarobljenih u zvjezdanoj unutrašnjosti bilježenjem načina na koji se mijenja svjetlost zvijezda.

Temperatura na površini zvijezde se tokom oscilacija periodično mijenja i to izaziva mjerljive promjene u sjaju Oscilacije nastaju usljed naglih kretanja gasa koja proizvode buku na spoljašnjosti zvijezda. Kao da zvijezde „pjevaju“, bolje rečeno „sviraju orgulje“, a tonovi ovise od brzine gasova u njima. Ovi podaci nam mogu pomoći oko izračuna mase i prečnika zvijezda.

Ova grana astrofizike je dugo bila u sjeni mnogih drugih otkrića, poput proučavanja crnih rupa, gravitacionih talasa te niza svemirskih misija i egzoplaneta… ali sada i ona dobija svoje zasluženo mjesto u medijima. No, to znači da nema mnogo naučnika u ovoj oblasti i svaki od njih je veoma vrijedan. Neka od najvećih imena u oblasti astroseizmologija i helioseizmologije su belgijska naučnica Conny Aerts, danski naučnik Jørgen Christensen-Dalsgaard  i američki naučnik Roger Ulrich. Sve troje su dobili Kavli nagradu za astrofiziku 2022.

Ulrich je bio jedan od pionira ove oblasti, ali je njegov rad dugo bio zanemarivan upravo zato što je bilo „interesantnijih područja“. Dao je jedan od temeljnih doprinosa helioseizmologiji prepoznavši da se oscilacije koje se vide na površini Sunca šire čitavom Sunčevom masom.

Do 1960. istraživači, među njima i Ulrich, primijetili su da Sunčeva površina oscilira nekoliko kilometara svakih pet minuta. Ulrich je izračunao strukturu tih stalnih oscilacija ili solarnih potresa.

„Mislio sam da je to stvarno zanimljiva mogućnost da ćemo moći naučiti nešto o materijalu ispod vidljive površine Sunca”, kaže on. „Moja kontribucija je pronalazak veze između talasnih dužina koje vidimo kao oscilacije kao akustičnih talasa. Kada sam uradio analizu, našao sam način proučavanja ovih zvučnih talasa koji nam omogućava da dijagnosticiramo termodinamičko stanje na Suncu“, kazao je Ulrich za Nauka Govori.

Sunce je prilično aktivno ali kada kažemo „helioseizmičke aktivnosti“, to nisu tektonske aktivnosti, to u zvučni talasi vrućeg gasa i plazme.

„Ne možete stajati na površini Sunca, ne samo što ćete ispariti,  nego to nije čvrsta površina nego masa gasa, plazme, nema čvrste površine“, objasnio je Urlich.

S ovim uvidom dao je predviđanja o detaljnom obliku oscilacija koja će kasnije biti potvrđena promatranjima sa zemlje i iz svemira. To je dovelo do novog razumijevanja Sunčeve unutarnje strukture i dinamike – pružajući uvid u 11-godišnji ciklus Sunčevih pjega – kao i ključnu potporu za ideju o oscilacijama neutrina. Međutim, osim svog teorijskog rada, također je igrao dugogodišnju ulogu u promatračkim projektima – kao što je poboljšanje teleskopa u tornju u zvjezdarnici Mount Wilson u blizini Pasadene.

Ovi oscilatorni procesi se dešavaju i na drugim zvijezdama, samo što mi ne možemo pratiti valove kratkih dužina, zbog velike udaljenosti tih zvijezda. Astroseizmologija je proučavanje ovih oscilacija na drugim, „običnim zvijezdama“ koje nisu kvazari i pulsari. I druge zvijezde imaju neku vrstu oscilacija, promjene sjaja.

Inače i Ulrich je jedan od „onih“ naučnika koji su još kako djeca bili zainteresirani za nauku: kao srednjoškolac napravio je sopstveni planetarijum. Ulrich je rođen 1942. u Berkeleyu, u to u porodici naučnika: njego otac se bavio fiziologijom biljaka i radio je na unapređenju usjeva i kreiranju vještačkih gnojiva. Roger je kao dijete posmatrao oca i bio u njegovoj laboratoriji.

„Sjećam računala koje su imali za izračunavanje standardne devijacije. Ta mašina je mogla računati i kvadratni korijen i sjećam se da pritisnete dugme za kvaratni korijen i onda bi mašina počela zvrndati i kao ijete sam uživao to slušati. Majka je studirala šumarstvo, što je tada bilo neobično, ali je odustala da pomogne porodici, a kada smo odrasli vratila se na studij i diplomirala“, kazao je Ulrich za Nauka Govori.

„Rođen sam 1942. i to je za sve bila prilično loša godina. Otac mi nije išao u rat jer je bio potreban zemlji  da radi na stvaranju boljih usjeva. Pedesetih mi je otac došao u Južnu Kaliforniju u laboratoriju Caltech gdje su imali staklenik sa kontrolisanim uslovima u kojem su proučavali kako smog djeluje na biljke, a biljke izvan staklenika su bile kontrolna grupa“.

Prva ljubav Rogera Ulricha bila je hemija, koju je diplomirao, a onda se okrenuo astrofizici. Priznaje kako su mali setovi za hemijske reakcije i slične stvari koje djeca i mladi mogu koristiti veoma zanimljive i kako mogu djecu zainteresirati za naučnu karijeru.

Ulrich je pokazao da se Sunce ponaša kao orgulje, s mnogo različitih akustičnih valova na različitim frekvencijama.

Kada se Ulrich počeo baviti ovom oblasti astrofizike, nije čak ni bilo naziva za to što radi. On je svoja mjerenja i opservacije nazvao „solarna seizmologija“ „Onda su me bolje školovane evropske kolege upozorile kako se ne može kombinovati latinski prefiks i grčki sufiks“. Tako je nastao i naziv helioseizmologija, prema grčkom helios, „Sunce“ i seizmologija – nauka o potresima.

Roger Ulrich je 2022. dobio Kavli nagradu za astrofiziku za svoj rad na polju helioseizmologije.

Na istraživanja helioseizmologije i asteroseizmologije se nadovezala i belgijska matematičarka i fizičarka Conny Aerts. Aerts je provela širok raspon istraživanja o strukturi i evoluciji zvijezda, posebno onih najtežih i najsjajnijih, uključujući studije o rotaciji zvijezda, konvekciji i prenosu hemijskih elemenata.

Razvila je matematičke metode za identificiranje neradijalnih zvjezdanih oscilacija u spektroskopskim podacima i koristila tehnike mašinkog učenja za klasificiranje mnogih vrsta promjenjivih zvijezda koristeći opažanja iz svemirskih misija CoRoT, Kepler i TESS. Među tim objektima otkrila je brojne gravitacijske pulsatore. Teorijski modeli koje razvija na temelju oscilacija zvijezda također joj omogućuju određivanje starosti zvijezda s velikom tačnošću.

Inače, Aerts se bori za rodnu ravnopranost u akademskoj zajednici i prisupačnost obrazovanja svima koji to žele. Sama ima skromno porijeklo, poput May-Britt Moser, njeni su sa sela i bavili su se poljoprivredom, ali njen talenat za matematiku je rano zapažen i pravilno je usmjerena, a sistem koji je davao jednakost i socijalnu i zdravstvenu zaštitu svima, mogućnost školovanja joj je i omogućio da napreduje do profesorice na Univerzitetu Leuven.

„Za mene je jako važno potaknuti mlade djevojke, žene, da slijede svoje snove, kao što sam i ja učinila. Želja mi je bila razumjeti zvijezde, pa sam izučavala matematičku fiziku. I stvarno nam je slaba zastupljenost žena i raznolikosti u cjelini. To je veliko tematsko područje i ono što je vrlo važno je da je to zapravo timski rad i za mene je ključno raditi s raznolikim timom – žene, muškarci, ljudi različite boje kože, sve su različitosti važne i iz toga učimo jedni od drugih, i ja učim od svojih studenata, oni uče od mene i zajedno ostvarujemo velika postignuća. To je ono što ovu profesiju čini tako zabavnom“ kazala je dr Aerts za naš podkast Nauka Govori.

Jørgen Christensen-Dalsgaard odigrao je glavnu ulogu u uspostavljanju disciplina helioseizmologije i, kasnije asteroseizmologije – korištenjem oscilacija vidljivih na površinama Sunca i drugih zvijezda za unapređenje našeg znanja o svojstvima zvijezda, uključujući starost, rotaciju i brojnost elemenata. Osim svojih osobnih istraživačkih doprinosa, također je učinio mnogo za postavljanje potrebne infrastrukture, kako na zemlji tako i u svemiru. Konkretno, shvatio je da bi misije razvijene za traženje ekstrasolarnih planeta – egzoplaneta, također mogle pružiti obilje podataka za zvjezdanu astrofiziku.