恒星的琴弦

恒星的振动

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一些等离子体向外的气体压强和这些等离子体在引力作用下的向内压强相互抗衡组成的天体。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。然而惯性作用下,向内收缩的气体会继续向内收缩,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。

聆听星之声

由于众所周知的原因,我们和恒星之间的真空不能传递声音,所以恒星所奏的乐章,我们是无法直接聆听到的。

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(读作 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。1

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。

来自National Schools' Observatory

这是人类第一次听到星之声。

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。

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

星震

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。

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

另一种声音

由于恒星的上述振动与恒星的质量和大小有关,这些我们可以观测到的振动频率都是(毫赫兹量级)低频的振动。然而,在恒星之中很可能存在另外一种机制完全不同的声音。

发表在物理评论快报上的一篇论文中表明等离子体中可能存在一种频率高达太赫兹的声波振动。2 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。

由于恒星中也有与实验中类似的偏离平衡态的行为,所以恒星中可能也会有这样的声波。

参考

  1. 参考维基百科:变星

  2. 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.