È vero che il suono non può viaggiare attraverso il vuoto nello spazio perché è un’onda meccanica e richiede un mezzo materiale per propagarsi. Il suono che ascoltiamo sono le onde elettromagnetiche provenienti da questi oggetti che sono stati successivamente convertiti in un suono che possiamo sentire.

Sinfonia di stelle: la scienza delle onde sonore stellari

Non riusciamo a sentirlo con le nostre orecchie, ma le stelle nel cielo stanno eseguendo un concerto, che non si ferma mai. Le stelle più grandi producono i suoni più bassi e profondi, come le tube e i contrabbassi. Le piccole stelle hanno voci acute, come flauti celesti. Questi virtuosi non suonano solo una “nota” alla volta: il nostro Sole ha migliaia di diverse onde sonore che rimbalzano al suo interno in un dato momento.

La comprensione di queste armonie stellari rappresenta una rivoluzione nell’astronomia. “Ascoltando” le onde sonore stellari con i telescopi, gli scienziati possono capire di cosa sono fatte le stelle, quanti anni hanno, quanto sono grandi e come contribuiscono all’evoluzione della nostra galassia della Via Lattea nel suo complesso. La tecnica è chiamata asterosismologia. Proprio come i terremoti (o le onde sismiche della Terra) ci parlano dell’interno della Terra, le onde stellari – risultanti in vibrazioni o “scosse stellari” – rivelano il funzionamento interno segreto delle stelle.

Il telescopio spaziale Kepler della NASA, ormai prossimo alla fine della sua missione, è stato un attore chiave in quella rivoluzione, fornendo osservazioni delle onde in decine di migliaia di stelle dal suo lancio nel 2009. Il Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) della NASA, lanciato nell’aprile 2018, può osservare le onde sonore fino a un milione di giganti rosse, le enormi stelle evolute che rappresentano come sarà il nostro Sole tra circa 5 miliardi di anni. Sebbene sia Kepler che TESS siano più famosi per la caccia ai pianeti oltre il nostro sistema solare (esopianeti) , sono anche strumenti potenti e sensibili per rilevare le vibrazioni stellari. E più sappiamo sulle stelle, più sappiamo sui pianeti che orbitano su di loro.

“Stiamo usando la sismologia per fornire una squisita caratterizzazione delle stelle ospiti – e quindi dei pianeti – che abbiamo scoperto”, ha detto William Chaplin, professore di astrofisica presso l’Università di Birmingham, Regno Unito, che guida lo sforzo di asterosismologia di Kepler per Sun -come stelle.

Le vibrazioni stellari sono state rilevate da telescopi nello spazio e sul terreno. La composizione audio non NASA “In Your Stars”, di Jeff Talman e Dan Huber, incorpora dati provenienti da diverse fonti di telescopi.

Cosa sono queste onde?

Come le bolle che salgono in una pentola di acqua bollente, le onde sonore si muovono attraverso l’interno di una stella a causa dei cambiamenti di temperatura. Iniziano nella zona di convezione della stella, che è il 30 percento superiore del volume di una stella se è simile al Sole. Il gas caldo si sposta verso l’alto fino alla superficie della stella, dove si raffredda e ricade, anche se molto più violentemente e turbolentemente che nella tua cucina. La convezione, questo movimento di calore che sale e scende, crea onde che rimbalzano nella stella in modi diversi.

Un processo simile accade sulla Terra: le onde sismiche, causate dalla convezione, fanno muovere le placche sulla superficie del pianeta e urtano l’una contro l’altra, portando infine a terremoti. La Luna ha anche terremoti, misurati dagli strumenti forniti dagli astronauti Apollo della NASA. E il lander InSight della NASA, in viaggio verso Marte, esplorerà l’interno di Marte misurando le onde sismiche lì. Ma a differenza di questi corpi planetari, le onde sonore stellari sono generate continuamente dalla turbolenza negli strati superficiali delle stelle.

Le onde guidate dalla convezione fanno sì che l’intera stella si espanda e si contragga, facendo suonare la stella come una campana. Così tante onde si propagano contemporaneamente che l’intera superficie stellare si spinge come Jell-O, ma così sottilmente che il movimento non sarebbe visibile all’occhio. Nelle immagini ravvicinate del nostro Sole, vediamo gli effetti delle onde come aree localizzate di schiarimento e oscuramento. Questi sono distinti dalle macchie scure che conosciamo come macchie solari sul nostro sole. Le macchie solari si formano nelle aree in cui le linee del campo magnetico del Sole indeboliscono la quantità di energia portata in superficie e rappresentano regioni temporaneamente più fredde sulla superficie della stella.

Alcune onde si increspano lungo l’intera circonferenza della stella, mentre altre sfrecciano proprio attraverso il nucleo della stella. Più grande è la stella, più tempo impiega le onde sonore a viaggiare al suo interno. Al sole, un’onda tipica completa un ciclo in cinque minuti. Ogni onda dura alcuni giorni in stelle simili al Sole, ma poiché nuove onde emergono continuamente, le stelle vibrano sempre. Le giganti rosse, che sono dozzine di volte più grandi del Sole, hanno onde a frequenza più bassa che possono propagarsi per settimane o mesi. Studiando stelle di varie età, gli scienziati apprendono cosa accadrà al nostro Sole quando invecchierà.

Non puoi sentirli, ma le onde sonore si propagano attraverso le stelle tutto il tempo in migliaia di modi diversi. Il concetto di questo artista mostra come alcune onde individuali viaggino attraverso un’ipotetica stella. Alcune onde si propagano solo attorno allo strato superiore di una stella, mentre altre viaggiano proprio attraverso il centro. Le onde fanno vibrare e illuminare la stella in modi troppo sottili per essere visti con l’occhio, ma che possono essere rilevati con telescopi come il telescopio spaziale Kepler della NASA. Gli scienziati possono determinare la struttura interna di una stella, che fornisce informazioni su dimensioni, composizione ed età, rilevando queste vibrazioni. 

Cosa stiamo misurando?

Poiché il Sole è la stella più vicina a noi, non sorprende che gli scienziati abbiano scoperto per la prima volta le vibrazioni stellari lì. Nel 1962, un gruppo di scienziati guidati dal fisico del Caltech Robert Leighton notò “cellule” di materiale in movimento sulla superficie del Sole, associate a variazioni nella luminosità della superficie, mentre utilizzava la torre solare di 60 piedi al Mount Wilson Observatory vicino a Los Angeles. Studi di follow-up negli anni ’70 hanno rivelato che onde di frequenze diverse spiegavano questo comportamento. Tracciando le onde del Sole, gli scienziati si sono resi conto nel 1977 che la zona di convezione della nostra stella era molto più profonda di quanto previsto. Da allora, il campo dell’eliosismologia ha acquisito una migliore comprensione della rotazione del Sole e della struttura interna.

La maggior parte delle altre stelle sono così lontane che i telescopi possono solo vederle come singoli punti di luce, e vedere direttamente le caratteristiche dettagliate della superficie è impossibile. I cambiamenti effettivi nella luminosità complessiva di una stella causati dalle onde sonore sono inimmaginabilmente piccoli: circa quattro parti su un milione. Quelle sottili variazioni sono l’equivalente di accendere e spegnere la torcia del tuo cellulare in una stanza piena di faretti molto luminosi, come quelli che formano il famoso fascio di luce al Luxor Hotel and Casino di Las Vegas, ha detto Jennifer van Saders, astronomo. presso l’Università delle Hawaii. Da lontano, l’edificio sembrerebbe comunque emettere una luce immutabile, perché l’effetto della torcia tremolante è così sottile.

Un modo per individuare le vibrazioni stellari utilizza un principio chiamato effetto Doppler: quella luce che arriva verso l’osservatore si sposta più blu e la luce che si allontana si sposta più rossa. Quando la superficie della stella si muove, uno strumento chiamato spettrografo rileva questi spostamenti. Un secondo metodo è misurare la luminosità complessiva della luce proveniente dalla stella nel tempo, che è il modo in cui lavorano Kepler e TESS.

I sottili cambiamenti di luminosità sono difficili da distinguere con i telescopi terrestri perché l’atmosfera terrestre e l’attività meteorologica si intromettono e perché la luce del giorno interrompe le osservazioni. Per l’ascolto continuo dell’orchestra stellare, gli astronomi avevano bisogno di telescopi spaziali. Il satellite Convection, Rotation and Planetary Transits (CoRoT), lanciato nel 2006 e guidato dall’agenzia spaziale francese (CNES), e Kepler, lanciato nel 2009, sono stati i pionieri nell’esplorazione dell’eliosismologia in una distesa di stelle in modo più dettagliato che mai .

“Keplero fissa questi punti di luce e li guarda brillare – non brillano come fanno qui sulla Terra, perché è l’atmosfera che li fa brillare – ma scintillano perché stanno effettivamente cambiando luminosità”, ha detto van Saders.

Misteri stellari

Nei suoi primi quattro anni, Keplero fissò un pezzo di cielo e misurò la luce stellare ogni minuto: le osservazioni continue più lunghe mai viste da nessuna stella. (Nella sua attuale missione K2, il veicolo spaziale cambia il suo campo visivo circa ogni tre mesi). Questo set di dati unico, insieme a quasi sei anni di dati da CoRoT, ha dimostrato che molte stelle nella galassia non hanno interni come il Sole, anche quelle solo dal 20 al 30% più massicce. Le voci basse delle stelle giganti hanno confermato per la prima volta le previsioni sulle strutture interne delle giganti rosse.

“Questo è ciò che Kepler ci ha dato: la capacità di testare davvero cosa sta succedendo negli interni per stelle che non sono solo il Sole”, ha detto van Saders.

L’asterosismologia è utile anche per misurare come ruota la superficie di una stella rispetto al suo interno. Mentre studiavano le onde sonore stellari, gli scienziati sono stati anche sorpresi di apprendere che in un tipo di gigante rossa, il nucleo ruota rapidamente mentre la superficie ruota lentamente. Uno studio del 2012 utilizzando i dati di Kepler ha rilevato tre stelle giganti i cui interni ruotano 10 volte più velocemente delle loro superfici. C’è ancora molto lavoro da fare in termini di creazione di modelli delle porzioni interne ed esterne delle stelle.

“Kepler ha davvero iniziato a raccontare quella storia – TESS farà il censimento”, ha detto Tom Barclay, ricercatore scienziato con la missione TESS al Goddard Space Flight Center della NASA, Greenbelt, nel Maryland.

Gli scienziati stanno ancora esplorando il confronto tra le vibrazioni del Sole e le stelle con masse ed età diverse e come questo “squillo” cambierà con l’invecchiamento del Sole in una gigante rossa. “Questa è una delle cose che stiamo cercando di capire, e che Kepler, TESS e altre missioni possono aiutarci a capire”, ha detto Dan Huber, astronomo presso l’Università delle Hawaii, a Honolulu.

Conosci la tua stella, conosci il tuo pianeta

Molti aspetti importanti di un pianeta, comprese le dimensioni, l’età e se potrebbe o meno supportare la vita, possono essere determinati solo da ciò che gli scienziati sanno della sua stella ospite.

Quando un pianeta passa davanti alla sua stella, Keplero rileva questo “transito” misurando un brusco calo della luminosità della stella mentre il pianeta blocca parte della sua luce (molto diverso dalle firme di terremoto simili a increspature). La quantità di attenuazione della luce della stella durante un transito è correlata alla dimensione del pianeta rispetto alla dimensione della stella.

Quindi, per calcolare il diametro del pianeta, gli scienziati hanno bisogno del diametro della stella, qualcosa che possono determinare usando l’asterosismologia. Allo stesso modo, mentre una tecnica chiamata velocità radiale consente agli scienziati di calcolare la massa di un pianeta rispetto alla massa della sua stella, gli scienziati devono calcolare la massa della stella per “pesare” il pianeta. L’asterosismologia è un modo per determinare la massa.

“Conoscere la dimensione della stella è molto importante per sapere effettivamente qual è la dimensione del pianeta”, ha detto Huber.

Le vibrazioni stellari aiutano anche gli scienziati a determinare quanti anni ha una stella, il che influenzerà l’ambiente dei suoi pianeti. È più probabile che una giovane stella abbia esplosioni violente e i suoi pianeti potrebbero ancora vagare nelle loro orbite. Una stella più vecchia ha fiammate meno frequenti ei suoi pianeti potrebbero essere più stabili.

“Ottenere stime precise di età è incredibilmente difficile, ma questo è qualcosa a cui l’asterosismologia è davvero adatta”, ha detto Chaplin. “Il ticchettio del cuore della stella ci permette di ottenere misurazioni precise.”

Archeologia galattica

Più stelle gli astronomi possono esaminare attraverso la sismologia, meglio possono mappare dove si trovano le stelle giovani e vecchie e capire quali regioni della Via Lattea si sono formate per prime. Questa è la scienza dell’archeologia galattica. Seguendo le scie delle vibrazioni nelle stelle, come farebbe un Indiana Jones interstellare, gli astronomi possono ricostruire come si è formata la nostra Via Lattea.

“Proprio come scavando nel sito archeologico di una vecchia città, puoi guardare cosa è successo in ciascuna di quelle ‘stanze’ nella nostra galassia”, ha detto Steve Howell, capo della divisione spaziale e astrobiologia presso l’Ames Research Center della NASA nel Silicon della California. Valle.

TESS registrerà le vibrazioni fino a un milione di giganti rosse. Poiché effettuerà un’indagine delle stelle in tutto il cielo, in effetti ascolterà in “suono surround”. La missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea, che ha recentemente rilasciato posizioni e indicatori di distanza per oltre un miliardo di stelle, offre una potente aggiunta a Kepler e TESS nel tracciare la storia della galassia. Calcolando l’età delle stelle e determinando quanto tempo sono state nella fase della gigante rossa e conoscendo le loro distanze, gli scienziati otterranno un quadro più completo di come le stelle della galassia si sono unite e di come si sta evolvendo.

Mentre Keplero sta finendo il carburante e la sua missione finirà presto, gli scienziati useranno i suoi dati per fare scoperte sulle stelle della Via Lattea per gli anni a venire. TESS completerà le osservazioni dettagliate dell’orchestra celeste del suo predecessore e continuerà a svelare misteri mentre ascolta più del grande insieme della galassia.