许多人都知道，恒星之所以会闪烁，是因为我们的大气层在星光到达地球时会使其弯曲。但是，恒星也有一种天生的"闪烁"--由其表面的气体波纹引起--这是目前地球上的望远镜无法察觉的。在一项新的研究中，由西北大学领导的研究小组首次开发了能量从一颗大质量恒星的内核荡漾到外表面的三维模拟。利用这些新模型，研究人员首次确定了恒星天生应该闪烁的程度。
美国西北大学（Northwestern University）的科学家们首次开发了三维模拟技术，研究从一颗大质量恒星的内核到外表面的能量涟漪，为了解恒星固有的"闪烁"提供了新的视角。研究小组还将这些波转换成声音，使听众能够"听到"恒星内部及其自然闪烁的声音。资料来源：E.H. Anders et al.
研究小组还首次将这些气体波纹转换成声波，使听众能够听到恒星内部和"闪烁"的声音。这真是太迷人了。这项研究发表在《自然-天文学》杂志上。
领导这项研究的西北大学埃文-安德斯（Evan Anders）说："恒星内核的运动会像海洋一样掀起波浪。当波浪到达恒星表面时，它们会使恒星闪烁，而天文学家或许能够观测到这种闪烁。我们首次开发出了计算机模型，让我们能够确定恒星在这些波的作用下闪烁的程度。这项工作使未来的太空望远镜能够探测恒星锻造我们赖以生存和呼吸的元素的中心区域。"
安德斯是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的博士后研究员。研究报告的共同作者、西北大学麦考密克工程学院工程科学与应用数学助理教授、CIERA成员丹尼尔-莱科阿内（Daniel Lecoanet）为他提供指导。
三维模拟大型恒星内核（中）的湍流对流如何产生波纹，波纹向外荡漾，并在恒星表面附近产生共振。通过研究振动引起的恒星亮度变化，科学家们有朝一日可以更好地了解大型恒星核心深处的过程。图片来源：E.H. Anders 等人/《自然-天文学》2023
所有恒星都有一个对流区，这是一个挥发性的混乱区域，气体在这里搅动，将热量向外推送。对于大质量恒星（质量至少是太阳的 1.2 倍）来说，对流区位于恒星的核心。
恒星内部的对流类似于助长雷暴的过程。冷却的空气下降、升温、再上升。这是一个输送热量的湍流过程。它还会产生波浪--导致星光变暗和变亮的小溪流，产生微妙的闪烁。由于大质量恒星的内核被遮挡住了，安德斯和他的团队试图模拟它们隐藏的对流。在研究了湍流内核对流的特性、波的特征以及这些波可能具有的观测特征的基础上，研究小组的新模拟包含了所有相关的物理知识，能够准确预测恒星的亮度如何根据对流产生的波而发生变化。
对流产生波之后，这些波会在模拟恒星内部反弹。一些波最终会出现在恒星表面，产生闪烁效果，而另一些波则会被困住，继续四处弹跳。为了分离出发射到表面并产生闪烁效果的波，安德斯和他的团队建立了一个滤波器，用来描述波在模拟恒星内部是如何反弹的。
安德斯解释说："我们首先在恒星周围放了一层阻尼层--就像录音室里的软垫墙一样--这样我们就能准确测量核心对流是如何产生波浪的。"
安德斯将其比作音乐工作室，利用隔音软垫墙将环境的声学效果降至最低，这样音乐家就能提取音乐的"纯净声音"。然后，音乐家们会使用滤波器并对这些录音进行工程处理，以达到他们想要的效果。
通过三种尺寸的大质量恒星播放古斯塔夫-霍尔斯特的《木星》。资料来源：美国西北大学
同样，安德斯和他的合作者将他们的滤波器应用于他们测量到的从对流核心传出的纯波。然后，他们跟踪了在一颗模型恒星中跳动的波，最终发现他们的滤波器准确地描述了恒星如何改变来自内核的波。随后，研究人员开发了一种不同的滤波器，用于描述波在真实恒星内部的反弹情况。应用这种滤波器后，得到的模拟结果显示了天文学家期望通过大功率望远镜观测时波浪出现的方式。
安德斯说："恒星变亮或变暗取决于恒星内部发生的各种动态变化。这些波引起的闪烁非常微妙，我们的眼睛不够灵敏，无法看到。但未来强大的望远镜或许能够探测到它。"
安德斯和他的合作者将录音室的类比向前推进了一步，接下来他们利用模拟产生了声音。由于这些波超出了人类的听觉范围，研究人员均匀地提高了波的频率，使它们变得清晰可闻。
根据大质量恒星的大小或亮度，对流产生的波对应不同的声音。例如，从一颗大恒星的内核中产生的波，发出的声音就像一把扭曲的射线枪，轰击着外星景观。但当这些波到达恒星表面时，恒星会改变这些声音。对于大型恒星来说，类似射线枪的脉冲会转变为低沉的回声，在空旷的房间里回荡。另一方面，中型恒星表面的波浪会让人联想到风吹地动时发出的持续的嗡嗡声。而小恒星表面的波浪听起来就像天气警报器发出的平淡警报声。
通过三种大小的大质量恒星播放《小星星》的视觉效果。资料来源：美国西北大学
接下来，安德斯和他的团队通过不同的恒星播放歌曲，聆听恒星如何改变歌曲。他们将"木星"（作曲家古斯塔夫-霍尔斯特的管弦乐组曲"行星"中的一个乐章）和"一闪一闪亮晶晶"的简短音频片段穿过三种大小（大、中、小）的大质量恒星。在恒星中传播时，所有歌曲听起来都遥远而缠绵--就像《爱丽丝梦游仙境》中的歌曲。
安德斯说："我们很好奇，如果一首歌通过恒星传播，听起来会是怎样的。恒星改变了音乐，相应地，也改变了如果我们看到波浪在恒星表面闪烁时的样子。"