Το Strange Stars Pulse to the Golden Mean
Αυτό που εντυπωσίασε τον Τζον Έμαθε για το αναβοσβήνει του KIC 5520878, ενός γαλαζωπόλευκου αστέρα που απέχει 16.000 έτη φωτός μακριά, ήταν πόσο τεχνητό φαινόταν.
Έμαθα, ένας φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, Mānoa, έχει μια θεωρία κατοικίδιων ζώων ότι οι εξαιρετικά προηγμένοι εξωγήινοι πολιτισμοί μπορεί να στέλνουν μηνύματα γαργαλώντας αστέρια με δέσμες νετρίνων, προκαλώντας παλμούς τύπου Μορς. «Είναι κάτι που μπορούν να ξεφύγουν οι ανώτεροι καθηγητές», είπε. Οι παλμοί του KIC 5520878, που καταγράφηκαν πρόσφατα από το τηλεσκόπιο Kepler της NASA, υποδηλώνουν ότι το αστέρι μπορεί να χρησιμοποιείται έτσι.
Ένα "μεταβλητό" αστέρι, το KIC 5520878 φωτίζει και εξασθενεί σε έναν κύκλο έξι ωρών, βυθίζοντας ανάμεσα στο δροσερό και το καθαρό και το ζεστό και το αδιαφανές. Η επικάλυψη αυτού του ρυθμού είναι μια δεύτερη, πιο λεπτή παραλλαγή άγνωστης προέλευσης. αυτή η συχνότητα αλληλεπιδρά με την πρώτη για να κάνει μερικούς από τους παλμούς του αστεριού πιο φωτεινούς από άλλους. Στις διακυμάνσεις, ο Learned είχε εντοπίσει ενδιαφέρουσες και, σκέφτηκε, πιθανώς έξυπνες ακολουθίες, όπως πρώτοι αριθμοί (οι οποίοι έχουν επιπλέει ως μια πιθανή βάση εξωγήινης επικοινωνίας). Στη συνέχεια βρήκε υπαινιγμούς ότι οι παλμοί του αστεριού ήταν χαοτικοί.
Αλλά όταν ο Learned ανέφερε τις έρευνές του σε έναν συνάδελφό του, τον William Ditto, το περασμένο καλοκαίρι, ο Ditto εντυπωσιάστηκε από την αναλογία των δύο συχνοτήτων που οδηγούν τους παλμούς του αστεριού.
"Είπα, "Περίμενε ένα λεπτό, αυτός είναι ο χρυσός μέσος".
Αυτός ο παράλογος αριθμός, που αρχίζει το 1.618, βρίσκεται σε ορισμένες σπείρες, χρυσά ορθογώνια και τώρα τις σχετικές ταχύτητες δύο μυστηριωδών αστρικών διεργασιών. Αυτό σήμαινε ότι το αναβοσβήσιμο του KIC 5520878 δεν ήταν ένα εξωγήινο σήμα, συνειδητοποίησε ο Ditto, αλλά κάτι άλλο που δεν είχε ξαναβρεθεί στη φύση:μια μαθηματική περιέργεια στα μισά του δρόμου μεταξύ τάξης και χάους που ονομάζεται «περίεργος μη χαοτικός ελκυστήρας».>
Τα δυναμικά συστήματα - όπως τα εκκρεμή, ο καιρός και τα μεταβλητά αστέρια - τείνουν να εμπίπτουν σε οριοθετημένα πρότυπα συμπεριφοράς που αποτελούν υποσύνολο όλων των τρόπων που θα μπορούσαν ενδεχομένως να συμπεριφέρονται. Ένα εκκρεμές θέλει να αιωρείται από πλευρά σε πλευρά, για παράδειγμα, και ο καιρός παραμένει σε ένα γενικό πεδίο πιθανοτήτων (δεν θα είναι ποτέ μηδέν βαθμοί το καλοκαίρι). Η σχεδίαση αυτών των μοτίβων δημιουργεί ένα σχήμα που ονομάζεται "ελκυστήρας".
Οι μαθηματικοί στη δεκαετία του 1970 χρησιμοποίησαν ελκυστές για να μοντελοποιήσουν τη συμπεριφορά χαοτικών συστημάτων όπως ο καιρός, και διαπίστωσαν ότι η μελλοντική πορεία ενός τέτοιου συστήματος μέσω του ελκυστήρα του εξαρτάται εξαιρετικά από το ακριβές σημείο εκκίνησης του. Αυτή η ευαισθησία στις αρχικές συνθήκες, γνωστή ως το φαινόμενο της πεταλούδας, κάνει τη συμπεριφορά των χαοτικών συστημάτων απρόβλεπτη. δεν μπορείτε να πείτε την πρόβλεψη πολύ εκ των προτέρων εάν το πτερύγιο των φτερών μιας πεταλούδας σήμερα μπορεί να κάνει τη διαφορά, σε δύο εβδομάδες από τώρα, μεταξύ ηλιοφάνειας και τυφώνα. Οι απείρως λεπτομερείς διαδρομές που περνούν τα περισσότερα χαοτικά συστήματα μέσω των ελκυστών τους ονομάζονται «φράκταλ». Κάντε μεγέθυνση σε ένα φράκταλ και νέες παραλλαγές εμφανίζονται συνεχώς, όπως εμφανίζονται νέες προεξοχές κάθε φορά που κάνετε μεγέθυνση στην απόκρημνη ακτογραμμή της Μεγάλης Βρετανίας. Οι ελκυστές με αυτή τη δομή φράκταλ ονομάζονται «παράξενοι ελκυστές».
Στη συνέχεια, το 1984, μαθηματικοί με επικεφαλής τους Celso Grebogi, Edward Ott και James Yorke του Πανεπιστημίου του Maryland στο College Park ανακάλυψαν μια απροσδόκητη νέα κατηγορία αντικειμένων - παράξενους ελκυστές που διαμορφώθηκαν όχι από το χάος αλλά από τον παραλογισμό. Αυτά τα σχήματα σχηματίστηκαν από τις διαδρομές ενός συστήματος που κινείται σε δύο συχνότητες χωρίς κοινό πολλαπλάσιο - δηλαδή, συχνότητες των οποίων ο λόγος ήταν ένας παράλογος αριθμός, όπως το pi ή ο χρυσός μέσος όρος. Σε αντίθεση με άλλους παράξενους ελκυστήρες, αυτοί οι ειδικοί «μη χαοτικοί» δεν παρουσίαζαν εφέ πεταλούδας. μια μικρή αλλαγή στην αρχική κατάσταση ενός συστήματος είχε αναλογικά μικρή επίδραση στο φράκταλ που προέκυψε μέσω του ελκυστήρα του, καθιστώντας την εξέλιξή του σχετικά σταθερή και προβλέψιμη.
«Ήταν πολύ περίεργο να βρούμε αυτές τις φράκταλ δομές σε κάτι που ήταν εντελώς μη χαοτικό», είπε ο Γκρεμπόγκι, ένας Βραζιλιάνος θεωρητικός του χάους που είναι τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Αμπερντίν στη Σκωτία.
Αν και κανένα παράδειγμα δεν μπορούσε να εντοπιστεί θετικά, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι περίεργοι μη χαοτικοί ελκυστές μπορεί να υπάρχουν παντού γύρω μας και μέσα μας. Φαινόταν πιθανό ότι το κλίμα, με τα μεταβλητά αλλά σταθερά μοτίβα του, θα μπορούσε να είναι ένα τέτοιο σύστημα. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος μπορεί να είναι άλλος.
Η πρώτη εργαστηριακή επίδειξη περίεργης μη χαοτικής δυναμικής συνέβη το 1990, με επικεφαλής τον Ott και κανέναν άλλον από τον William Ditto. Εργαζόμενοι στο Naval Surface Warfare Center στο Silver Spring, Maryland, Ditto, Ott και αρκετοί συνεργάτες προκάλεσαν ένα μαγνητικό πεδίο μέσα σε μια μεταλλική λωρίδα πούλιες που ονομάζεται «μαγνητοελαστική κορδέλα» και διαφοροποίησαν την ισχύ του πεδίου σε δύο διαφορετικές συχνότητες που σχετίζονται με τη χρυσή τομή. Η κορδέλα σκληρύνθηκε και χαλάρωσε σε ένα παράξενο μη χαοτικό μοτίβο, ζωντανεύοντας τη μαθηματική ανακάλυψη από έξι χρόνια νωρίτερα. «Ήμασταν οι πρώτοι άνθρωποι που είδαμε αυτό το πράγμα. ήμασταν ευχαριστημένοι με αυτό», είπε η Ditto. "Τότε το ξέχασα για 20 χρόνια."
Σε ένα πολύ διαφορετικό πεδίο του ακαδημαϊκού χώρου, οι αστρονόμοι από την αρχαιότητα συλλογίζονταν αστέρια που πάλλονται. Το 1912, η Henrietta Leavitt ανακάλυψε ότι η συχνότητα με την οποία πάλλονται τα μεταβλητά αστέρια αντιστοιχεί στην εγγενή τους φωτεινότητα, ένα χαρακτηριστικό που αργότερα τους επέτρεψε να χρησιμοποιηθούν ως «τυποποιημένα κεριά» για τη μέτρηση κοσμικών αποστάσεων. Η συμβατική εξήγηση για τη συμπεριφορά των άστρων προέρχεται από τον Sir Arthur Eddington, ο οποίος πρότεινε τη δεκαετία του 1930 ότι τα μεταβλητά αστέρια μεγαλώνουν και συρρικνώνονται σε έναν συνεχή κύκλο:Πρώτον, ένα αστέρι λάμπει έντονα, αλλά καθώς σταδιακά συρρικνώνεται και θερμαίνεται, το εξωτερικό του στρώμα γυρίζει. αδιαφανές, μειώνοντας το φως των αστεριών. Καθώς η ενέργεια που έχει παγιδευτεί μέσα στο αστέρι συσσωρεύεται, το αστέρι διαστέλλεται υπό την πίεση, ψύχεται, γίνεται διαφανές και λάμπει για άλλη μια φορά.
Η μελέτη των μεταβλητών αστεριών εισήλθε σε περιόδους έκρηξης το 2009 με την εκτόξευση του τηλεσκοπίου Kepler, το οποίο αναζήτησε μικρές εκτροπές στο φως των αστεριών ως σημάδι μακρινών πλανητών. Το τηλεσκόπιο συγκέντρωσε ένα πλήθος πρωτοφανών δεδομένων σχετικά με τους παλμούς των μεταβλητών αστεριών σε όλο τον γαλαξία. Άλλες, επίγειες έρευνες έχουν προσθέσει περαιτέρω πλούτη.
Τα δεδομένα αποκάλυψαν ανεπαίσθητες παραλλαγές σε πολλούς από τους παλμούς των άστρων που υπαινίσσονταν αστρικές διεργασίες πέρα από αυτές που περιγράφει ο Έντινγκτον. Οι παλμοί του αστρικού φωτός θα μπορούσαν να χωριστούν σε δύο κύριες συχνότητες:μια πιο γρήγορη σαν το χτύπημα ενός τύμπανου και μια πιο αργή σαν ένα γκονγκ, με τους δύο ρυθμούς να παίζονται εκτός συγχρονισμού. Και σε περισσότερα από 100 από αυτά τα μεταβλητά αστέρια — συμπεριλαμβανομένων εκείνων, όπως το KIC 5520878, που ανήκουν σε μια υποκατηγορία που ονομάζεται "RRc" — οι αναλογίες που καθορίζουν τη διάρκεια μιας συχνότητας σε σχέση με την άλλη έπεσαν ανεξήγητα μεταξύ 1,58 και 1,64.
«Πρόκειται για μια εντελώς νέα αναλογία και δεν ξέρουμε περί τίνος πρόκειται», είπε η Katrien Kolenberg, μια ειδική στα μεταβλητά αστέρια με κοινά ραντεβού στο Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian και σε δύο πανεπιστήμια στο Βέλγιο.
Μέσα σε αυτό το παράθυρο βρίσκεται η χρυσή τομή. Όταν είδε τον αριθμό το περασμένο καλοκαίρι, ο Ditto υποψιάστηκε αμέσως ότι το KIC 5520878 και αστέρια όπως αυτό μπορεί να παρουσίαζαν περίεργη μη χαοτική δυναμική. Πράγματι, όταν αυτός και οι συνεργάτες του παρακολούθησαν τη φωτεινότητα των αστεριών με την πάροδο του χρόνου, βρήκαν σημάδια φράκταλ αλλά μη χαοτικής διακύμανσης και στα τέσσερα αστέρια RRc στο σύνολο δεδομένων Kepler, μεταξύ αυτών και το KIC 5520878.
Καθώς η φωτεινότητα του αστεριού αυξάνει και μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, φαίνεται να περιπλέκει μια φράκταλ διαδρομή γύρω και γύρω από έναν ελκυστήρα σε σχήμα ντόνατ. Κάντε μεγέθυνση ή σμίκρυνση και η διαδρομή φαίνεται εξίσου ασταθής σε κάθε κλίμακα ανάλυσης. Όπως μια απόκρημνη ακτογραμμή, οι κορυφές στη φωτεινότητα του αστεριού ποικίλλουν από μικρότερες κορυφές που εμφανίζονται σε μικρότερες χρονικές κλίμακες και αυτές οι κορυφές είναι γεμάτες με ακόμη μικρότερες και ταχύτερες κορυφές. Αλλά επειδή το αστέρι είναι μη χαοτικό, δεν υπάρχει φαινόμενο πεταλούδας. μονοπάτια που συγκλίνουν παραμένουν συσχετισμένα. Φανταστείτε ότι είστε το αστέρι που κινείται γύρω από τον ελκυστήρα του. «Ρίχνεις μια ψίχα ψωμιού σε ένα σημείο κάθε μισή ώρα», είπε η Ditto. «Δύο χρόνια αργότερα έρχομαι σε εκείνο το σημείο και αρχίζω να ρίχνω ψίχουλα ψωμιού. Βασικά επιστρέφω στα ψίχουλα σας κάθε λίγες ώρες ή μέρες, ό,τι κι αν κάνω. Είναι τρελό. Οποιαδήποτε δύο [κοντά] σημεία στο ντόνατ συμπεριφέρονται έτσι.”
Η ανακάλυψη, αναφέρθηκε τον Φεβρουάριο στο Physical Review Letters , κάνει ορισμένους αστρονόμους να στραφούν σε απόκρυφα μαθηματικά έγγραφα για νέες ενδείξεις σχετικά με την εσωτερική λειτουργία των μεταβλητών αστεριών.
«Είναι πραγματικά ενδιαφέρον γιατί είναι ένα νέο είδος δυναμικής συμπεριφοράς», είπε ο Róbert Szabó, ειδικός με μεταβλητά αστέρια στο Παρατηρητήριο Konkoly στη Βουδαπέστη της Ουγγαρίας. «Αλλά μπορεί να είναι απλώς μια σύμπτωση», που δεν σχετίζεται με τη θεμελιώδη φυσική που λειτουργεί στα αστέρια. Στο μυστήριο προστίθενται εκατοντάδες άλλα μεταβλητά αστέρια που οδηγούνται επίσης μέσω του ελκυστήρα τους από δύο συχνότητες των οποίων η αναλογία είναι κοντά στη χρυσή μέση, αν και όχι πάντα αρκετά κοντά για να προκαλέσει μια τέτοια ειδική δυναμική συμπεριφορά.
«Όλα αυτά γεννούν το ερώτημα», είπε ο Ντίτο, «τι συμβαίνει ουσιαστικά με αυτά τα αστέρια που καταλήγουν σε μια αναλογία κοντά στη χρυσή τομή;»
Το νέο έγγραφο προσφέρει μια υπόθεση. Το θεώρημα KAM, που ονομάστηκε για τους Andrey Kolmogorov, Vladimir Arnold και Jürgen Moser, υποστηρίζει ότι τα συστήματα που οδηγούνται από συχνότητες σε παράλογη αναλογία τείνουν να είναι τα πιο σταθερά. Δηλαδή, δεν μπορούν εύκολα να ανατραπούν σε μια νέα κατάσταση κίνησης. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να είναι η μοίρα των ασταθών αστεριών να εξελιχθούν μέχρι να φτάσουν σε έναν αριθμό όπως ο χρυσός μέσος όρος. "Είναι ο πιο ισχυρός αριθμός για τις διαταραχές, που σημαίνει ότι αυτά τα αστέρια μπορούν να τον επιλέξουν", εξήγησε ο Ditto.
Οι ειδικοί στα μεταβλητά αστέρια σχεδιάζουν να αναπτύξουν νέα μοντέλα αστρικής φυσικής που να ενσωματώνουν τις νεοανακαλυφθείσες δευτερεύουσες συχνότητες. Αυτό θα τους επιτρέψει να εξετάσουν την πιθανή φυσική προέλευση των συχνοτήτων και τη συνάφεια του θεωρήματος KAM. «Αν έχουμε ένα καλό μοντέλο, μπορούμε να αρχίσουμε να βλέπουμε τι συμβαίνει», είπε ο Szabó, «τι είδους παλμοί και ταλαντώσεις μπορούν να διεγερθούν σε αυτά τα αστέρια».
Όσο για τον Learned, ο οποίος αναφέρθηκε με τους συναδέλφους του στο The Astrophysical Journal ότι το αναβοσβήσιμο του KIC 5520878 είναι σχεδόν σίγουρα φυσικό τελικά, τα γεγονότα του περασμένου έτους είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα «επιστήμης εν δράσει», είπε. "Ξεκινήσαμε να ψάχνουμε για κάτι παράξενο και βρήκαμε κάτι που μπορεί να αποδειχθεί πολύ σημαντικό για την κατανόηση της αστρικής δυναμικής."
Διόρθωση στις 11 Μαρτίου 2015:Μια παλαιότερη έκδοση αυτού του άρθρου υποστήριξε ότι η χρυσή τομή βρίσκεται στα κοχύλια του ναυτίλου, κάτι που είναι μια συνηθισμένη εσφαλμένη αντίληψη. Τα κοχύλια του Ναυτίλου είναι πιο κοντά στην αναλογία 4/3 ή 1,33.
