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听,恒星的声音

Star sound 星震 等离子体

章鱼喵.时见疏星 发表于  2015-04-09 09:59

地球并不安静。风声,流水声,浪声,种种振动让地面充满了声音。恒星表面,也是如此。不久前发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文,就“发现”了恒星表面的一种新的声音——这是属于太阳的旋律。只可惜,我们的肉身还是听不见。

恒星的“标准”振动

如果我们能够用尺子测量恒星的半径,我们就会发现这个半径通常并不是一成不变的,而是周期性的变大变小。

这是由于,通常的恒星是两种力量相抗衡组成的天体——其一是等离子体向外的气体压强,其二是等离子体在引力作用下的向内压强。当引力大于等离子体的压强的时候,恒星就会向内收缩,然而如同被压缩的气体一样,收缩的等离子体的压强会变大,从而能够抗衡引力。

不过惯性作用下,向内收缩的气体还会继续向内收缩一点儿,导致等离子体的压强大于引力形成的压强。这样向外的力要大于向内的力,从而导致恒星向外扩张。这样循环往复,形成周期性的振动。

人类观测到的第一种这样的振动,就是变星。早在十六世纪末,大卫·法巴雷克斯就发现了鲸鱼座的蒭藁增二(chú gaǒ zēng èr)的周期性消失现象。而之更多的周期性变化的恒星被发现,这些恒星被称为变星,人们意识到恒星并非一成不变的。

有些变星可以被解释为恒星自身的脉动行为。由于恒星的亮度是与表面积成正比的,所以当恒星的半径周期性变化的时候,恒星的亮度也会变化。

varstar.gif变星视觉效果示意图。图片来源:National Schools’Observatory

新声

恒星的上述振动与恒星的质量和大小有关,但这些我们可以观测到的振动频率都是毫赫兹量级低频振动——基本上几分钟才振动一次。这样实在太慢了,很难理解为正常的声音。

不过,还有另一种机制完全不同的声音,依然来自于等离子体。

《物理评论快报》的这篇论文表明,等离子体中可能存在一种高频的声波振动。这种振动起源于等离子体的流动,当一股流动的等离子体撞到另一股停滞不前的等离子体的时候,会在相遇的界面上形成特定模式的流动形式,这些流动会产生高频的声波振动——也就是声音。

事实上这是研究者在探索激光对等离子体作用时的意外发现。他们注意到,在激光打击到等离子体之后千亿分之一秒内,等离子体扩散开来就会产生这样的撞击和声响。而自然界中要想发生这样的场景,唯一的地点就是恒星了。

遗憾的是,这一声音我们依然听不见。它的频率高达10^12赫兹,相比之下地球哺乳动物最高也只能听到10万赫兹。就算它们频率降下来,宇宙的真空也是难以逾越的障碍。

弦外之音

往水中两个不同的地方同时扔两块石头,我们会看到有两组水波产生。这两组水波在经过对方的时候,会产生很复杂的波纹。

同样的事情也会发生在恒星之中。且不管恒星中这些振动的起源,我们可以想象如果恒星中有两种甚至多种不同的振动,这些振动相互叠加,形成看似复杂的花样。

Helioseismology_pmode1.png恒星可以产生复杂的振动,这是不同的振动模式的叠加。Public Domain

我们的太阳,就是时时刻刻进行着这样的振动。这些振动模式使得太阳的形状产生精细的变化,例如其中一种振动模式(p 模式)可以让太阳变成这样。

pmode_frame16.jpg日震的 p 模,模式的幅度被夸张了 1000 倍。这样的振动的周期是五分钟,也就是频率只有 3.3 毫赫兹。来自Marshall Space Flight Center, NASA

众多的振动来源和模式交叠在一起,就会形成极其繁复多样的花纹。也许有一天我们能够解码一颗恒星全部的振动,并把它们转换为人类能够感知的声音——那时我们拥有的就不仅仅是星之声,而是一部恒星交响乐。

参考文献

  1. Adak, Amitava, Robinson, A.,P.,L., Singh, Prashant Kumar, Chatterjee, Gourab, Lad, Amit D., Pasley, John & Kumar, G. Ravindra (2015). Terahertz Acoustics in Hot Dense Laser Plasmas. Phys. Rev. Lett., 114, 115001.

热门评论

  • 2015-04-09 12:43 Nadleeh 核物理硕士生

    应该是属于实验室天体物理

    [3] 评论

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章鱼喵.时见疏星
章鱼喵.时见疏星 理论物理专业,西夏文爱好者

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