Wie um alles in der Welt könnte man in einen Stern hineinschauen? Sie könnten die Skalpelle und andere Werkzeuge des chirurgischen Handwerks herausbrechen, aber viel Glück, wenn Sie bis auf einige Millionen Kilometer an die Oberfläche gelangen, bevor Ihre Haut abschmilzt. Die Sterne unseres Universums verbergen ihre Geheimnisse sehr gut, aber Astronomen können ihre Klugheit übertreffen und haben Wege gefunden, ausgerechnet mit Schallwellen in ihre Herzen zu blicken.

Sternenbeben

„Schallwellen im Weltraum“ ist ein ziemlich verwirrender Ausdruck, aber keine Sorge, diese Schallwellen bleiben strikt in ihren Sternensphären. Jeder Stern ist ein dynamischer, vibrierender Strudel intensiver frenetischer Aktivität. Im Inneren steckt der Wahnsinn des Atomkerns, der bei Temperaturen von Millionen Grad sekundenschnell neue Elemente schmiedet. Äußerlich haben Sie das Vakuum des Weltraums selbst, kälter als kalt bei einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Der Körper eines Sterns hat die Aufgabe, all die Wärme von innen nach außen zu transportieren, wo er unbedingt hin will. Während ihr ganzes Leben lang Stars in einem Gleichgewichtszustand existieren (sie explodieren nicht in einer Supernova oder kollabieren in ein Schwarzes Lochim Augenblick), kann jede geringfügige Störung als leichte Beulen und Wackeln im gesamten Hauptteil des Sterns – und auf seiner Oberfläche – bestehen bleiben.

„Beulen und Wackeln in der gesamten Masse“ werden auch als Schallwellen bezeichnet.

Während Sterne aufgrund der komplexen Physik in ihrem Inneren pulsieren, sich heben und beben, vibrieren ihre Oberflächen mit stehenden Schallwellen, die wir aus der Ferne als winzige Helligkeitsänderungen sehen können.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Sterne anfangen zu schreien. Wenn ein Fleck oder eine ganze Schicht aus Sternenmaterial zufällig etwas dichter ist als der Durchschnitt, kann es Strahlung darunter einfangen und sie daran hindern, zu entweichen. Dadurch wird die Schicht abnormal erhitzt, wodurch sie ansteigt und sich ausdehnt, die eingeschlossene Wärme freigesetzt und der Schicht ermöglicht wird, sich wieder abzukühlen und sich wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzusetzen, wodurch der gesamte Prozess zurückgesetzt wird. Während dieser Zyklus fortschreitet, gehen von der Pulsation Schallwellen aus, die vorübergehend den gesamten Stern umfassen.

Auch die Konvektion im Inneren des Sterns spielt eine Rolle, denn riesige Klumpen aus Sternmaterial dringen an die Oberfläche, berühren die Kälte des Weltraums, geben ihre Wärme ab und schleichen zurück in die feurigen Tiefen. Dieses ständige Rühren, wie die kochende Oberfläche eines Topfes mit Wasser auf dem Herd, schwingt im ganzen Stern mit.

Sogar ein naher Begleiter kann die Erzeugung von Schallwellen vorantreiben, da die Schwerkraft des umkreisenden Partners den Stern zerrt und zwickt, mit unsichtbaren gravitativen Schlägen und Quetschungen nach außen greift und weitere Beben auslöst.

Simulation trifft auf Schallwellenrealität

Sterne beherbergen alle möglichen Schwingungen in ihrem Inneren. Manche halten nur kurz, manche bleiben lange. Einige bleiben nur an der Oberfläche oder knapp darunter, während andere auf und ab reißen und dabei vom dichten Kern abprallen. Dies bedeutet, dass die Schwingungen sehr nützliche Diagnosen für den Zustand des Sterns sind. Wie alt ist es? Wie viel Prozent der schwereren Elemente schwimmen darin herum? Wie sind die verschiedenen internen Schichten miteinander verbunden (oder nicht)?

Die besondere Mischung von Zutaten, die in einem bestimmten Stern enthalten sind, verändert auf subtile Weise die Arten von Schwingungen, die auf der Oberfläche leben. Es ist wie stellare Phrenologie, aber eigentlich Wissenschaft: Das Studium der Unebenheiten und Wackeln auf der Oberfläche eines Sterns offenbart seinen Charakter.

Hier kommen Computer ins Spiel, und warum?Asteroseismologieist ein relativ neues Feld. Wir haben keinen Katalog nach dem anderen von sezierten, ausgestellten Sternen, um sie mit lebenden Exemplaren zu vergleichen. Stattdessen haben wir Computer – viele davon. Modell für Modell backen wir alle möglichen sterne in unseren Siliziumöfen, die den Bereich jeder Art von überschaubaren Eingangsparametern abdecken.

Und wir stimmen auch die Physik ab, basteln und spielen mit verschiedenen Theorien darüber, wie Sterne im Inneren funktionieren. Wie gut sind die Kerne mit der Atmosphäre verbunden? Wie wichtig sind Magnetfelder? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Rotation und Wärmeübertragung? Wichtige Fragen mit nicht vielen Antworten.

Aufstieg der Maschinen

Diese umfangreichen Simulationen von vorgetäuschten Sternen geben uns den notwendigen „Backkatalog“, um mit Beobachtungen zu vergleichen. Aber die Beobachtungen sind nicht einfach. Wir können die Oberfläche der meisten Sterne nicht beobachten – wir können nur aus der Ferne beobachten, wie das Licht der Sterne schwächer und heller wird.

Ein Teil dieser Abweichung ist auf zufälliges Aufflammen oder andere temperamentvolle Aktivität. Ein Teil dieser Variation ist darauf zurückzuführen, dass ein Planet im Orbit die Sichtlinie überquert. Und ein Teil dieser Variation ist darauf zurückzuführen, dass Schallwellen durch den Stern krachen und auf die Oberfläche sprudeln, wodurch sich die Helligkeit des Sterns ein wenig ändert.

Hier trifft Theorie auf Realität, aber die Beobachtungen sind extrem kurz (wir können die Sterne nicht sehr lange beobachten) und unvollständig (wir können nichts sehen)alledie Schwingungen an der Oberfläche). Um das Ganze besser zu verstehen, haben Astronomen vor kurzem eine komplette Pipeline für maschinelles Lernen entwickelt um Daten mit Modellen zu vergleichen.

In dieser Pipeline trainierten die Wissenschaftler ein neuronales Netz auf die Simulationen, um alle subtilen Zusammenhänge zwischen Modelleingabeparametern (Masse des Sterns, metallisch usw.) und Schwingungsmustern auf der Oberfläche zu entdecken. Mit diesem ausgeklügelten Wissen kann der Algorithmus dann echte Sterne mit echten, unübersichtlichen Daten untersuchen und die beste Übereinstimmung in den Modellen finden. Diese Technik ist noch in den Kinderschuhen wenn es um Asteroseismologie geht, eröffnet aber eine vielversprechende Zukunft für den Bergbau durch stellare Proben, um zu verstehen, wie Sterne im Inneren funktionieren.

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