많은 사람들은 별빛이 지구에 도달할 때 대기가 휘어지기 때문에 별이 반짝인다는 것을 알고 있습니다. 그러나 별에는 표면의 가스 잔물결로 인해 발생하는 자연적인 "섬광"도 있는데, 이는 현재 지구상의 망원경으로는 감지할 수 없습니다. 새로운 연구에서 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)가 이끄는 연구팀은 거대한 별의 핵에서 외부 표면으로 에너지 파동을 보여주는 최초의 3차원 시뮬레이션을 개발했습니다. 연구자들은 이 새로운 모델을 사용하여 자연적으로 얼마나 많은 별이 반짝여야 하는지 처음으로 결정했습니다.

노스웨스턴 대학교(Northwestern University)의 과학자들은 거대한 별의 핵에서 외부 표면까지의 에너지 파동을 연구하기 위해 처음으로 3차원 시뮬레이션 기술을 개발하여 별의 고유한 "섬광"에 대한 새로운 시각을 제공했습니다. 또한 팀은 이러한 파동을 소리로 변환하여 청취자가 별의 내부와 자연스러운 깜박임을 "들을" 수 있도록 했습니다. 출처: E.H.Andersetal.

또한 팀은 처음으로 이러한 가스 잔물결을 음파로 변환하여 청취자가 별 내부의 소리와 "반짝이는 소리"를 들을 수 있게 했습니다. 정말 매력적이에요. 이 연구는 Nature Astronomy 저널에 게재되었습니다.

이번 연구를 이끈 노스웨스턴 대학의 에반 앤더스(Evan Anders)는 “별의 핵의 움직임은 바다와 같은 파도를 만들어낸다”고 말했다. "파동이 별의 표면에 도달하면 별이 깜박이게 되며 천문학자들은 이 깜박임을 관찰할 수 있습니다. 처음으로 우리는 이러한 파동으로 인해 별이 얼마나 깜박이는지 확인할 수 있는 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 이 작업을 통해 미래의 우주 망원경은 별이 우리가 살고 숨쉬는 요소를 생성하는 중심 영역을 감지할 수 있습니다."

앤더스(Anders)는 노스웨스턴대학교 천체물리학 학제간 탐사 및 연구 센터(CIERA)의 박사후 연구원입니다. 연구 보고서의 공동 저자이자 Northwestern University의 McCormick School of Engineering의 엔지니어링 과학 및 응용 수학 조교수이자 CIERA 회원인 Daniel Lecoanet이 지침을 제공했습니다.

큰 별의 핵(중앙)에서 난류 대류가 어떻게 바깥쪽으로 파문을 일으키고 별 표면 근처에서 공명하는 잔물결을 생성하는지에 대한 3차원 시뮬레이션입니다. 진동으로 인한 별 밝기의 변화를 연구함으로써 과학자들은 언젠가 큰 별의 핵심 내부 깊은 곳에서 일어나는 과정을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다. 이미지 출처: E.H.Anders 외./"자연-천문학" 2023

모든 별에는 가스가 휘젓고 열을 바깥쪽으로 밀어내는 불안정하고 혼란스러운 대류 구역이 있습니다. 거대한 별(태양 질량의 최소 1.2배)의 경우 대류층은 별의 중심부에 위치합니다.

별 내부의 대류 흐름은 뇌우를 일으키는 과정과 유사합니다. 냉각된 공기는 떨어지고, 가열되고, 다시 상승합니다. 이것은 열을 운반하는 격동적인 과정입니다. 또한 별빛을 어둡게 하고 밝게 하여 미묘한 반짝임을 만드는 작은 흐름인 파도를 생성합니다. 거대한 별의 핵이 가려져 있기 때문에 앤더스와 그의 팀은 숨겨진 대류 흐름을 시뮬레이션하려고 했습니다. 난류 중심의 대류 특성, 파동의 특성, 파동이 가질 수 있는 관측 특징을 연구한 후, 팀의 새로운 시뮬레이션은 모든 관련 물리학을 통합하여 대류에 의해 생성된 파동에 반응하여 별의 밝기가 어떻게 변하는지 정확하게 예측합니다.

대류가 파도를 생성한 후 이 파도는 시뮬레이션된 별 내부에서 반사됩니다. 일부 파도는 별 표면에 도달하여 반짝이는 효과를 생성하는 반면 다른 파도는 갇혀서 계속해서 튕겨 나옵니다. 표면으로 방출되는 파동을 분리하고 섬광 효과를 생성하기 위해 Anders와 그의 팀은 파동이 시뮬레이션된 별 내부에서 어떻게 반사되는지 설명하는 필터를 만들었습니다.

"우리는 먼저 녹음 스튜디오의 패딩 벽처럼 별 주위에 감쇠층을 배치하여 핵심 대류가 파동을 생성하는 방법을 정확하게 측정할 수 있었습니다"라고 Anders는 설명합니다.

Anders는 이를 음악 스튜디오에 비유합니다. 방음 패딩 벽을 사용하여 환경의 음향을 최소화하여 음악가가 음악의 "순수한 사운드"를 추출할 수 있도록 합니다. 그런 다음 음악가는 필터를 적용하고 이러한 녹음을 엔지니어링하여 원하는 효과를 얻습니다.

세 가지 크기의 거대한 별을 통해 구스타프 홀스트의 "Jupiter"를 재생해 보세요. 출처: 노스웨스턴 대학교

마찬가지로 앤더스와 그의 동료들은 대류 코어에서 나오는 측정된 순수한 파동에 필터를 적용했습니다. 그런 다음 그들은 모델 별 주위로 튀는 파도를 추적하여 궁극적으로 별이 코어에서 나오는 파도를 어떻게 변경했는지 필터가 정확하게 설명한다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 연구원들은 실제 별 내부에서 파도가 어떻게 반사되는지를 설명하는 다른 필터를 개발했습니다. 이 필터를 적용한 후 결과 시뮬레이션은 천문학자들이 강력한 망원경을 통해 관찰할 때 파도가 나타날 것으로 예상하는 방식을 보여줍니다.

"별의 밝기나 어두워짐은 별 내에서 발생하는 다양한 동적 변화에 따라 달라집니다"라고 Anders는 말했습니다. "이러한 파도로 인한 깜박임은 너무 미묘해서 우리 눈이 그것을 볼 만큼 민감하지 않습니다. 그러나 미래의 강력한 망원경은 그것을 감지할 수 있을 것입니다."

Anders와 그의 협력자들은 녹음실 비유를 한 단계 더 발전시켜 아날로그를 사용하여 사운드를 제작했습니다. 이 파동은 인간이 들을 수 있는 범위를 넘어서기 때문에 연구진은 파동의 주파수를 균등하게 높여 명확하게 들을 수 있게 만들었습니다.

거대한 별의 크기나 밝기에 따라 대류에 의해 생성된 파동은 서로 다른 소리에 해당합니다. 예를 들어, 큰 별의 중심부에서 나오는 파도는 외계 풍경을 가로질러 폭발하는 뒤틀린 광선총처럼 들립니다. 그러나 이 파동이 별의 표면에 도달하면 별은 이러한 소리를 바꿉니다. 큰 별의 경우 광선총과 같은 펄스는 빈 방을 통해 반향되는 낮은 에코로 변합니다. 반면에 중간 크기 별 표면의 파도는 바람에 의한 지진으로 인해 끊임없이 윙윙거리는 소리를 연상시킵니다. 그리고 작은 별 표면의 파도는 날씨 사이렌의 온화한 사이렌처럼 들립니다.

Little Star의 비주얼은 세 가지 크기의 거대한 별을 통해 재생됩니다. 출처: 노스웨스턴 대학교

다음으로 앤더스와 그의 팀은 다양한 스타들을 통해 노래를 연주하며, 스타들이 어떻게 노래를 변화시켰는지 들어봤다. 그들은 "Jupiter"(작곡가 Gustav Holst의 오케스트라 모음곡 "The Planets"의 악장)와 "Twinkle Twinkle"의 짧은 오디오 클립을 세 가지 크기(대형, 중형 및 소형)의 거대한 별을 통해 전달했습니다. 그들이 별 사이를 여행할 때 모든 노래는 "이상한 나라의 앨리스"에 나오는 노래처럼 아득하고 오래도록 들립니다.

"우리는 노래가 별을 통과하면 어떤 소리가 날지 궁금했습니다."라고 앤더스는 말했습니다. "별은 음악을 바꾸고, 별 표면에서 파도가 번쩍이는 것을 보면 파도가 어떻게 보일지 바꿉니다."