Astrofysikere konverterer Saturns måner og ringe til musik

Efter århundreder med at se med ærefrygt og undren over skønheden ved Saturn og dens ringe, vi kan nu lytte til dem, takket være indsatsen fra astrofysikere ved University of Toronto (U of T).

"For at fejre den store finale af NASAs Cassini-mission i næste måned, vi konverterede Saturns måner og ringe til to stykker musik, " siger astrofysiker Matt Russo, en postdoc-forsker ved Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) på Fakultet for Kunst og Videnskab ved U of T.

Konverteringen til musik er muliggjort af orbitale resonanser, som opstår, når to objekter udfører forskellige antal komplette kredsløb på samme tid, så de bliver ved med at vende tilbage til deres oprindelige konfiguration. De rytmiske gravitationstræk mellem dem holder dem fastlåst i et stramt gentagne mønster, som også kan omdannes direkte til musikalsk harmoni.

"Hvor der er resonans er der musik, og intet andet sted i solsystemet er mere fyldt med resonanser end Saturn, " siger Russo.

Cassini-rumfartøjet har indsamlet data, mens det kredsede om Saturn siden dets ankomst i 2004 og er nu i gang med en endelig dødsspiral. Den vil styrte ned i selve planeten den 15. september for at undgå at forurene nogen af ​​dens måner.

Russo fik selskab af astrofysiker Dan Tamayo, en postdoc forsker ved CITA og Center for Planetariske Videnskaber ved U of T Scarborough, og sammen var de i stand til at spille musik med et instrument, der målte over en million kilometer langt. De musikalske toner og rytmer kommer begge fra Saturns måners kredsløbsbevægelser sammen med banerne for de billioner af små partikler, der udgør ringsystemet.

"Saturns storslåede ringe fungerer som en klangbund, der affyrer bølger på steder, der harmonerer med planetens mange måner, og nogle månepar er selv låst i resonanser, " siger Tamayo.

Musik af måner og ringe

For det første stykke, der følger Cassinis sidste dyk, forskerne øgede de naturlige kredsløbsfrekvenser af Saturns seks store indre måner med 27 oktaver for at nå frem til musikalske toner. "Det du hører er månernes faktiske frekvenser, flyttet ind i det menneskelige høreområde", siger Russo. Holdet brugte derefter en state of the art numerisk simulering af månesystemet udviklet af Tamayo til at spille de resulterende toner, hver gang en måne fuldfører en bane.

Månesystemet har to orbitale resonanser, som giver rytmisk og harmonisk struktur til den ellers ustabile vuggevise-stil melodi. Den første og tredje måne Mimas og Tethys er låst i en 2:1-resonans, så Mimas kredser to gange for hver Tethys-bane. Det samme forhold forbinder kredsløbene for den anden og fjerde måne Enceledus og Dione, og kombinationen af ​​de to simple rytmer skaber interessante musikalske mønstre, når de falder ind og ud af synkronitet.

"Da fordobling af frekvensen af ​​en tone producerer den samme tone en oktav højere, de fire indre måner producerer kun to forskellige toner tæt på en perfekt kvint fra hinanden, " siger Russo, som også er uddannet fra U of T's Jazz performance program. "Den femte måne Rhea fuldender en dur-akkord, der forstyrres af den ildevarslende indgang til Saturns største måne, Titan."

Russo og Tamayo får følgeskab i projektet af Toronto-musiker, og Matts mangeårige bandkammerat, Andrew Santaguida. "Dan forstår orbital resonans lige så dybt som nogen andre, og Andrew er en musikproduktionsguide. Min opgave er at forbinde disse to verdener."

Titan giver faktisk Cassini-sonden det sidste skub, som sender den hastigt mod sin død i hjertet af Saturn. Musikken følger Cassinis sidste flyvning over ringsystemet ved at konvertere ringenes konstant stigende orbitale frekvenser til en dramatisk stigende tonehøjde; lydstyrken af ​​tonen øges og falder sammen med de observerede lyse og mørke bånd af ringene. Cassinis død, da den styrter ind i Saturn, høres som et sidste sammenbrud af en sidste klaverakkord, som var inspireret af The Beatles' "A Day in the Life", hvor en rig dur-akkord følger et tilsvarende spændt crescendo.

Ud over soundtracket, Russo har fået lavet en stor træudskæring af Saturns ringe, så folk kan følge med med fingerspidserne, mens de lytter. Udskæringen vil være en del af en taktil-lyd astronomi-udstilling på Canadian National Institute for the Blind's Night Steps fundraising-begivenhed for synshandicappede i Toronto den 15. september, samme dag som Cassini-missionen efter planen slutter.

Resonances of Janus oversat til musik

Det andet stykke demonstrerer skalaerne spillet af Janus og Epimetheus, to små uregelmæssige måner, der deler en bane lige uden for Saturns hovedringsystem. Sammen er de et eksempel på 1:1 resonans, den eneste i solsystemet. Parret kredser i lidt forskellige afstande fra Saturn, men med en forskel, der er så ubetydelig, bytter de plads hvert fjerde år. Kompositionen simulerer de sidste par måneder af Cassinis mission, mens Janus rykker tættere på Epimetheus, før han stjæler sin plads i 2018. Sammen, de to måner spiller en unison drone, men med en konstant skiftende rytme, der gentages hvert ottende år.
Russo spillede en C# tone på sin guitar én gang for hver bane, mens en cello opretholder en tone for hver resonans i ringene.

"Hver ring er som en cirkulær snor, bliver konstant bøjet af Janus og Epimetheus, mens de jager hinanden rundt i deres fælles bane, " siger Russo. Cassini tog for nylig et billede af en af ​​de krusninger, som dette skaber i ringene. For at gøre dette til musik, Russo og Santaguida brugte lysstyrkevariationerne i dette billede til at kontrollere celloens intensitet.

"Saturns dansende måner har nu et soundtrack, " siger Russo.

Russo, Tamayo og Santaguida er den samme gruppe, som konverterede det nyligt opdagede TRAPPIST-1 planetsystem til musik for et par måneder siden. De har døbt deres astro-soniske sideprojekt SYSTEM Sounds) og håber at fortsætte med at udforske universet for andre beviser på naturligt forekommende harmonisk resonans.