Hvad er der inde i en stjerne?

En dag fik professor Jørgen Christensen-Dalsgaard fra Aarhus Universitet en henvendelse, der var lidt udover det sædvanlige.

Den var fra NASA. Ved den forestående opsendelse af Kepler-satellitten ville det være oplagt at bruge nogle af de data, som satellitten kunne opsamle, til nærmere at undersøge, hvad en stjerne består af. Kunne Aarhus Universitets asteroseismologiske eksperter være interesserede i at kigge nærmere på dem?

Det kunne de. Jørgen Christensen-Dalsgaard og hans kollega lektor Hans Kjeldsen er blandt de ypperste i verden til at analysere stjerners lydbølger.

Belyser stjernens fødsel og død

Ligesom ved et jordskælv, hvor jorden vibrerer, har stjerner stjerneskælv, og de vibrationer – lydbølger – som kan observeres i den forbindelse, kan fortælle hvor stor, hvor tung og hvor gammel, stjernen er.

»Keplers mission er at finde planeter i den beboelige zone omkring en stjerne. Men udover at finde planeter er de data, Kepler kan opsamle, helt enestående til at studere stjernesvingninger,« fortæller Jørgen Christensen-Dalsgaard.

Det er data, der kan være med til at belyse, hvordan en stjerne fødes, og hvordan den dør.

Lys kan oversættes til lydsignaler

De planeter, der bor ved Mælkevejens stjerner, kan ofte ikke ses – heller ikke i satellitternes teleskoper. Men lyset fra stjernerne afslører dem.

Kepler-satellitten måler lysvariationer fra stjerner og røber dermed eksistensen af planeter omkring den.

»Når en planet passerer hen foran en stjerne, skygger den for lidt af lyset fra stjernen, og det vil sige, at lysstyrken reduceres en lille smule. Det kan Kepler måle, så selvom man ikke kan se selve planeten, kan man se effekten af den,« fortæller Jørgen Christensen-Dalsgaard.

Stjernens lysstyrke vibrerer

De lysvariationer, Kepler-satellitten måler, kan samtidig bruges til at påvise de lydbølger, stjernerne udsender. Hans Kjeldsen forklarer:

»Når en lydbølge løber rundt inde i stjernen, kommer den ud som en bølge på overfladen. Det får lysstyrken af stjernen til at vibrere en lille smule.«

»Når vi så får billeder med lysvariationer fra Kepler, kan vi analysere de frekvenser, som variationerne i lyset viser, og oversætte dem til lydsignaler. Det gør os i stand til at måle stjernernes størrelse, alder og deres kemiske sammensætning.«

Store stjerner svinger langsomt

Lydbølgerne giver forskerne en unik information om stjernerne, som ikke før kunne måles med så stor præcision. Den hastighed, lydbølgerne løber med inde i stjernen, fortæller, hvor stor stjernen er.

»Jo hurtigere frekvenser stjernesvingninger har, jo mindre er stjernen. Ligesom en piccolofløjte har en meget højere tone end en fagot, fordi den simpelthen er meget mindre end fagotten. På samme måde hvis man har en meget stor stjerne, svinger den meget langsommere end en lille stjerne,« fortæller Jørgen Christensen-Dalsgaard.

Størrelsen på stjernen betyder også, at man kan regne ud, hvor stor den ellers usynlige planet er. Ved at se på reduktionen af lysstyrken kan man se, hvor stor eller lille en brøkdel af stjernens overflade bliver dækket af planeten, når den passerer.

Men det kan man kun oversætte til planetens størrelse, hvis man ved, hvor stor stjernen er.

Stjerneorkester spiller for forskerne

En stjerne udsender ikke kun én svingning. Den kan indeholde mange hundrede forskellige lydbølger. NASA var klar over, at de ville få mange værdifulde målinger med sig i jagten på beboelige planeter, men havde ikke ressourcer til at udvikle et redskab til at behandle de mange data.

Så det blev Jørgen Christensen-Dalsgaards og hans forskerkollegaers opgave, med midler fra Det Frie Forskningsråd, at udvikle et analyseværktøj, der kunne adskille de forskellige vibrationsfrekvenser og fjerne uvedkommende støj – selv fra de meget små signaler, som Kepler satellitten måler.

»I et orkester kan man godt analysere lyden, så frekvenserne fra alle de forskellige instrumenter bliver isoleret. Det er egentlig det samme, vi gør med stjernerne. Vi laver simpelthen en lang liste over de forskellige vibrationsfrekvenser på den pågældende stjerne,« forklarer Hans Kjeldsen.

Helium fortæller om stjernens alder

De forskellige lydbølger giver forskellige informationer. Hvis der er mere helium end hydrogen, ændrer lydens hastighed sig. Det kan vi nemt selv høre, når vi indånder helium og får Anders And-stemme.

Fordelingen af helium/brint fortæller noget om stjernens alder: jo mere helium, desto ældre er stjernen.

Hvis stjernen roterer indeni, så løber lydbølgerne med stjernen, mens den roterer, og kommer tidligere eller senere frem til stjerneoverfladen, afhængigt af hvilken vej stjernen roterer.

Teoretisk atlas over en stjerne

Når temperaturen i stjernen er høj, løber lydbølgerne hurtigere, fordi lydens hastighed er hurtigere i varm gas.

Alle disse forhold gør det kompliceret at analysere stjernen. Derfor bruges computerstyrede stjernemodeller til at regne ud, hvordan de lange lister af forskellige lydbølger skal tydes.

»Vi bygger en modelstjerne med alle mulige egenskaber, som vi kan tænke os er i en stjerne. Og så finder vi ud af, hvordan lydens hastighed ville være inde i sådan en stjerne. Derefter ændrer vi i modellen og beregner et nyt sæt af vibrationsfrekvenser.«

»På den måde får vi til sidst et kæmpe teoretisk atlas over alle de vibrationsfrekvenser, forskellige stjerner kan have. Lidt ligesom et DNA-register,” forklarer Hans Kjeldsen.

Noget vi ikke har forstået endnu

Når Kepler leverer observationer fra en stjerne, kan forskerne lægge data ind i computermodellen og på den måde finde den stjernemodel, der bedst matcher lige den stjernes vibrationer.

Ved at gøre dette med mange forskellige stjerner kan forskerne se stjerner i forskellige udviklingsstadier og på den måde lære mere om solsystemernes evolution.

»Der kan også ske det interessante, at vi finder ud af, at ikke en eneste model i vores register matcher. Så er forklaringen jo, at der er et eller andet, vi ikke har forstået endnu. Der er noget fysik inde i stjernen, som ikke passer til en eneste af de ting, vi har tænkt os til, og noget skal forbedres i vores teoretiske beskrivelse,« fortæller Hans Kjeldsen.

Kepler satellitten fortsætter

Det er besluttet, at Kepler-satellitten skal fortsætte sin færd i verdensrummet i yderligere fire år til 2016. Det glæder man sig over på Aarhus Universitet.

»Der er ting, vi stadig har en dårlig teoretisk forståelse af. Hvordan de forskellige dele af stjernen kan snakke sammen, og hvordan de overfører impulsmomenter fra de centrale dele til de ydre lag.«

»Data fra Kepler begynder at give os informationer nok til at lære mere om det, så det bliver fantastisk spændende at arbejde med,« siger Jørgen Christensen-Dalsgaard.