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中科院物理所     阅读简体中文版

地球并不安靜。風聲,流水聲,浪聲,種種振動讓地面充滿了聲音。恒星表面,也是如此。不久前發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文,就“發現”了恒星表面的一種新的聲音——這是屬于太陽的旋律。只可惜,我們的肉身還是聽不見。

恒星的“標準”振動

如果我們能夠用尺子測量恒星的半徑,我們就會發現這個半徑通常并不是一成不變的,而是周期性的變大變小。

這是由于,通常的恒星是兩種力量相抗衡組成的天體——其一是等離子體向外的氣體壓強,其二是等離子體在引力作用下的向內壓強。當引力大于等離子體的壓強的時候,恒星就會向內收縮,然而如同被壓縮的氣體一樣,收縮的等離子體的壓強會變大,從而能夠抗衡引力。

不過慣性作用下,向內收縮的氣體還會繼續向內收縮一點兒,導致等離子體的壓強大于引力形成的壓強。這樣向外的力要大于向內的力,從而導致恒星向外擴張。這樣循環往復,形成周期性的振動。

人類觀測到的第一種這樣的振動,就是變星。早在十六世紀末,大衛·法巴雷克斯就發現了鯨魚座的蒭藁增二(chú gaǒ zēng èr)的周期性消失現象。而之更多的周期性變化的恒星被發現,這些恒星被稱為變星,人們意識到恒星并非一成不變的。

有些變星可以被解釋為恒星自身的脈動行為。由于恒星的亮度是與表面積成正比的,所以當恒星的半徑周期性變化的時候,恒星的亮度也會變化。

變星視覺效果示意圖。圖片來源:National Schools’Observatory

新聲

恒星的上述振動與恒星的質量和大小有關,但這些我們可以觀測到的振動頻率都是毫赫茲量級低頻振動——基本上幾分鐘才振動一次。這樣實在太慢了,很難理解為正常的聲音。

不過,還有另一種機制完全不同的聲音,依然來自于等離子體。

《物理評論快報》的這篇論文表明,等離子體中可能存在一種高頻的聲波振動。這種振動起源于等離子體的流動,當一股流動的等離子體撞到另一股停滯不前的等離子體的時候,會在相遇的界面上形成特定模式的流動形式,這些流動會產生高頻的聲波振動——也就是聲音。

事實上這是研究者在探索激光對等離子體作用時的意外發現。他們注意到,在激光打擊到等離子體之后千億分之一秒內,等離子體擴散開來就會產生這樣的撞擊和聲響。而自然界中要想發生這樣的場景,唯一的地點就是恒星了。

遺憾的是,這一聲音我們依然聽不見。它的頻率高達10^12赫茲,相比之下地球哺乳動物最高也只能聽到10萬赫茲。就算它們頻率降下來,宇宙的真空也是難以逾越的障礙。

弦外之音

往水中兩個不同的地方同時扔兩塊石頭,我們會看到有兩組水波產生。這兩組水波在經過對方的時候,會產生很復雜的波紋。

同樣的事情也會發生在恒星之中。且不管恒星中這些振動的起源,我們可以想象如果恒星中有兩種甚至多種不同的振動,這些振動相互疊加,形成看似復雜的花樣。

恒星可以產生復雜的振動,這是不同的振動模式的疊加。Public Domain

我們的太陽,就是時時刻刻進行著這樣的振動。這些振動模式使得太陽的形狀產生精細的變化,例如其中一種振動模式(p 模式)可以讓太陽變成這樣。

日震的 p 模,模式的幅度被夸張了 1000 倍。這樣的振動的周期是五分鐘,也就是頻率只有 3.3 毫赫茲。來自Marshall Space Flight Center, NASA

眾多的振動來源和模式交疊在一起,就會形成極其繁復多樣的花紋。也許有一天我們能夠解碼一顆恒星全部的振動,并把它們轉換為人類能夠感知的聲音——那時我們擁有的就不僅僅是星之聲,而是一部恒星交響樂。

參考文獻

  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.

來源:果殼網

2015-08-23 08:48

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