Forskere bruger kunstig intelligens til at se indvendige stjerner ved hjælp af lydbølger

Hvordan i alverden kunne du se inde i en stjerne? Du kan bryde skalpellerne og andre værktøjer fra den kirurgiske handel ud, men held og lykke med at komme inden for et par millioner kilometer fra overfladen, før din hud smelter af. Stjernerne i vores univers skjuler deres hemmeligheder meget godt, men astronomer kan overgå deres klogskab og har fundet måder at kigge ind i deres hjerter ved hjælp af, af alle ting, lydbølger.

Stjerneskælv

"Lydbølger i rummet" er en temmelig forvirrende sætning, men bare rolig, disse lydbølger holder sig strengt inden for deres stjernekugler. Hver stjerne er en dynamik, vibrerende malstrøm af intens vanvittig aktivitet. På indersiden har du sindssyge i atomkernen, smede nye elementer med det andet ved temperaturer på millioner af grader. På ydersiden har du vakuum i rummet selv, koldere end koldt ved en temperatur knap over absolut nul.

Jobbet for en stjerne er at få al den varme indefra til ydersiden, hvor den desperat vil hen. Mens stjernerne i hele deres liv eksisterer i en tilstand af ligevægt (de eksploderer ikke i en supernova eller falder sammen i et sort hul lige nu), enhver let forstyrrelse kan vedvare som små buler og vrikke i hele stjernens hoved - og på dens overflade.

"Bump og wiggles i hele bulk" er også kendt som lydbølger.

Der er et par forskellige måder, hvorpå stjerner kan begynde at skrige. Hvis et plaster eller et helt lag stjernetøj bare er lidt mere tæt end gennemsnittet, den kan fange stråling under den, forhindrer den i at flygte. Dette opvarmer laget unormalt, får det til at stige og ekspandere, frigør den indespærrede varme og lader laget afkøle og falde tilbage til den måde, det startede på, nulstiller hele processen. Når denne cyklus fortsætter, lydbølger udgår fra pulsen, midlertidigt dækker hele stjernen.

Konvektionen inde i stjernen spiller også en rolle, som kæmpe klatter af stjernemateriale gør deres vej op til overfladen, røre rumets kulde, frigive deres varme, og smutte tilbage ned i de brændende dybder. Denne kontinuerlige omrøring, som den kogende overflade af en gryde vand på komfuret, giver genlyd i hele stjernen.

Selv en nærliggende ledsager kan drive oprettelsen af ​​lydbølger, som tyngdekraften i den kredsløbende partner, der trækker og tweaks på stjernen, række ud med usynlige gravitationssmæk og klemmer, tænder flere skælv.

Simulering møder virkningen af ​​lydbølger

Stjerner er vært for alle slags vibrationer inde i dem. Nogle varer kun et lille stykke tid, nogle bliver i lang tid. Nogle holder sig bare til overfladen eller lige under den, mens andre lyner op og ned, ricocheting af den tætte kerne i processen. Det betyder, at vibrationerne er meget nyttig diagnostik af stjernens forhold. Hvor gammelt er det? Hvor mange procent af de tungere elementer svømmer rundt inde i det? Hvordan er de forskellige interne lag forbundet (eller ej) med hinanden?

Den særlige blanding af ingredienser, der går ind i en bestemt stjerne, ændrer subtilt den slags vibrationer, der lever på overfladen. Det er ligesom stjernens frenologi, men faktisk videnskab:at studere bump og wiggles på overfladen af ​​en stjerne afslører dens karakter.

Det er her computere kommer ind i billedet i stor stil, og hvorfor asteroseismologi er et relativt nyt felt. Vi har ikke katalog efter katalog over dissekerede, viste stjerner for at sammenligne med levende eksemplarer. I stedet har vi computere - masser af dem. Model efter model, vi bager enhver mulig slags stjerne i vores siliciumovne, spænder over alle former for inputparameter, der kan håndteres.

Og vi justerer også fysikken, pille og lege med forskellige teorier om, hvordan stjerner fungerer på indersiden. Hvor godt er kernerne forbundet med atmosfærerne? Hvor vigtige er magnetfelter? Hvad er forholdet mellem rotation og varmeoverførsel? Vigtige spørgsmål med ikke mange svar.

Maskinernes stigning

Disse omfattende simuleringer af foregive stjerner giver os det nødvendige "bagkatalog" til at sammenligne med observationer. Men observationerne er ikke lette. Vi kan ikke observere overfladen på de fleste stjerner - vi kan kun se fjernt, når lyset fra stjernerne dæmpes og lyser.

Noget af denne variation skyldes tilfældige opblussen eller anden temperamentsfuld aktivitet. Noget af den variation skyldes, at en kredsende planet krydser sigtelinjen. Og noget af den variation skyldes lydbølger, der styrter gennem stjernen og bobler op på overfladen, nogensinde så lidt ændrer lysstyrken i stjernens glans.

Det er her, hvor teori møder virkeligheden, men observationerne er ekstremt korte (vi får ikke observeret stjernerne særlig længe), og ufuldstændig (vi kan ikke se alle vibrationerne på overfladen). For bedre at give mening om det hele, astronomer har for nylig udviklet en hel maskinlæringspipeline for at sammenligne data med modeller.

I denne pipeline, forskerne uddannede et neuralt netværk om simuleringerne, gør det muligt at opdage alle de subtile forhold mellem modelindgangsparametre (stjernens masse, metallisk, osv.) og vibrationsmønstre på overfladen. Derefter, ved hjælp af den sofistikerede viden, algoritmen kan se på rigtige stjerner med ægte, rodede data og find det bedste match i modellerne. Denne teknik er stadig i sin vorden, når det kommer til asteroseismologi, men åbner en lovende fremtid for minedrift gennem stjerneprøver, at forstå, hvordan stjerner fungerer indvendigt.