Wissenschaftler nutzen künstliche Intelligenz, um mit Hilfe von Schallwellen in Sterne zu sehen.

Wie um alles in der Welt kannst du nur in einen Stern schauen? Du könntest die Skalpelle und andere Werkzeuge des chirurgischen Handwerks ausbrechen, aber viel Glück dabei, in einem Umkreis von einigen Millionen Kilometern um die Oberfläche zu kommen, bevor deine Haut abschmilzt. Die Sterne unseres Universums verbergen ihre Geheimnisse sehr gut, aber Astronomen können ihre Klugheit untergraben und haben Wege gefunden, ausgerechnet mit Hilfe von Schallwellen in ihre Herzen zu schauen.

Sternbeben

„Schallwellen im Raum“ ist ein ziemlich verwirrender Satz, aber keine Sorge, diese Schallwellen bleiben streng innerhalb ihrer Sternenkugeln. Jeder Stern ist ein dynamischer, vibrierender Mahlstrom intensiver frenetischer Aktivität. Im Inneren hat man den Wahnsinn des Atomkerns, der bei Temperaturen von Millionen von Grad sekundenschnell neue Elemente schmiedet. Auf der Außenseite haben Sie das Vakuum des Weltraums selbst, kälter als kalt bei einer Temperatur von kaum über absolut Null.

Die Aufgabe des Sternenkörpers ist es, die ganze Hitze von innen nach außen zu bringen, wohin er verzweifelt gehen will. Während sich die Sterne ihr ganzes Leben lang im Gleichgewicht befinden (sie explodieren nicht in einer Supernova oder kollabieren gerade in ein schwarzes Loch), kann jede leichte Störung bestehen bleiben, da leichte Stöße und Wackelbewegungen im gesamten Hauptteil des Sterns – und auf seiner Oberfläche – auftreten.

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

Es gibt ein paar verschiedene Möglichkeiten, wie Sterne anfangen können zu schreien. Wenn ein Fleck oder eine ganze Schicht Sternenstoff zufällig etwas dichter als der Durchschnitt ist, kann er die Strahlung darunter einfangen und so verhindern, dass sie entweicht. Dadurch wird die Schicht anormal erwärmt, wodurch sie aufsteigt und sich ausdehnt, die eingeschlossene Wärme wird freigesetzt und die Schicht kann sich wieder abkühlen und sich wieder an die ursprüngliche Arbeitsweise anpassen, wodurch der gesamte Prozess zurückgesetzt wird. Im weiteren Verlauf dieses Zyklus entstehen aus der Pulsation Schallwellen, die vorübergehend den gesamten Stern umfassen.

Auch die Konvektion im Inneren des Sterns spielt eine Rolle, da riesige Blöcke aus Sternmaterial an die Oberfläche vordringen, die Kälte des Weltraums berühren, ihre Wärme abgeben und wieder in die feurigen Tiefen zurückschnellen. Dieses kontinuierliche Rühren, wie die kochende Oberfläche eines Wasserkessels auf dem Herd, schwingt durch den ganzen Stern.

Sogar ein nahegelegener Begleiter kann die Erzeugung von Schallwellen vorantreiben, wenn die Schwerkraft des umkreisenden Partners an dem Stern zerrt und zwickt, mit unsichtbaren Gravitationsklappen und -drücken ausstreckt und weitere Beben entfacht.

Simulation trifft auf Schallwellen-Realität

Sterne beherbergen alle Arten von Schwingungen in sich. Einige dauern nur eine Weile, andere bleiben lange. Einige kleben direkt an der Oberfläche oder direkt darunter, während andere auf und ab zippen und dabei den dichten Kern abprallen lassen. Das bedeutet, dass die Vibrationen eine sehr nützliche Diagnose für die Bedingungen des Sterns sind. Wie alt ist es? Welcher Prozentsatz der schwereren Elemente schwimmt in ihr herum? Wie sind die verschiedenen Innenlagen miteinander verbunden (oder nicht)?

Die besondere Mischung von Inhaltsstoffen, die in einen bestimmten Stern einfließen, verändert subtil die Art der Vibrationen, die auf der Oberfläche leben. Es ist wie Sternen-Phrenologie, aber eigentlich Wissenschaft: Wenn man die Unebenheiten und Wackelpagoden auf der Oberfläche eines Sterns untersucht, zeigt sich sein Charakter.

Hier kommen Computer im großen Stil ins Spiel, und deshalb ist die Asteroseismologie ein relativ neues Gebiet. Wir haben keinen Katalog über den Katalog der präparierten, gezeigten Sterne, um sie mit lebenden Exemplaren zu vergleichen. Stattdessen haben wir Computer – viele von ihnen. Modell für Modell backen wir in unseren Silikonöfen jede erdenkliche Art von Stern und decken den Bereich aller Arten von Eingangsparametern ab.

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 den Atmosphären verbunden? Wie wichtig sind Magnetfelder? Was ist der Zusammenhang zwischen Rotation und Wärmeübertragung? Wichtige Fragen mit nicht vielen Antworten.

Aufstieg der Maschinen

Diese umfangreichen Simulationen von Scheinsternen geben uns den notwendigen „Backkatalog“ zum Vergleich mit Beobachtungen. Aber die Beobachtungen sind nicht einfach. Wir können die Oberfläche der meisten Sterne nicht beobachten – wir können nur aus der Ferne zusehen, wie das Licht der Sterne verdunkelt und hell wird.

Ein Teil dieser Variation ist auf zufällige Aufflackern oder andere temperamentvolle Aktivitäten zurückzuführen. Ein Teil dieser Variation ist auf einen umkreisenden Planeten zurückzuführen, der die Sichtlinie überschreitet. Und ein Teil dieser Variation ist darauf zurückzuführen, dass Schallwellen durch den Stern krachen und auf die Oberfläche sprudeln und so die Helligkeit im Glanz des Sterns immer wieder leicht verändern.

Hier trifft Theorie auf Realität, aber die Beobachtungen sind extrem kurz (wir können die Sterne nicht sehr lange beobachten) und unvollständig (wir können nicht alle Schwingungen auf der Oberfläche sehen). Um das Ganze besser verstehen zu können, haben Astronomen kürzlich eine ganze maschinelle Lern-Pipeline entwickelt, um Daten mit Modellen zu vergleichen.

In dieser Pipeline trainierten die Wissenschaftler ein neuronales Netzwerk für die Simulationen, so dass es alle subtilen Zusammenhänge zwischen den Eingangsparametern des Modells (Masse des Sterns, metallisch, etc.) und den Schwingungsmustern an der Oberfläche entdecken konnte. Dann, mit diesem ausgefeilten Wissen, kann der Algorithmus echte Sterne mit echten, chaotischen Daten betrachten und die beste Übereinstimmung in den Modellen finden. Diese Technik steckt in der Asteroseismologie noch in den Kinderschuhen, eröffnet aber eine vielversprechende Zukunft für den Bergbau durch Sternproben und versteht, wie Sterne im Inneren funktionieren.

Mehr Informationen:
Luc Hendriks, Conny Aerts. Deep Learning Angewandt auf die asteroseismische Modellierung von Sternen mit kohärenten Oszillationsmodi: arXiv:1811.03639[astro-ph.SR]. arxiv.org/abs/1811.03639

Teilen Ist Liebe! ❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares