Apabila kita memandang bintang pada waktu malam, kita hanya melihat cahaya yang datang dari arahnya. Bahagian dalam bintang tidak dapat diperhatikan secara langsung menggunakan teleskop biasa. Namun, bintang bukan objek yang sentiasa berada dalam keadaan pegun. Gas di dalamnya boleh mengalami gerakan berulang yang menyebabkan perubahan kecil pada bentuk, suhu dan kecerahan permukaannya.
Dengan mengukur perubahan tersebut secara teliti, ahli astronomi dapat memperoleh maklumat tentang keadaan fizikal di dalam bintang. Kaedah ini dikenali sebagai asteroseismologi.
Mengapakah bintang boleh bergetar?
Bintang terdiri daripada gas dan plasma yang mengalami tarikan graviti serta tekanan dari bahagian dalamnya. Walaupun bintang boleh berada dalam keseimbangan keseluruhan, bahan di dalamnya masih boleh bergerak. Dalam bintang seperti Matahari, pergerakan gas panas berhampiran permukaan boleh merangsang gelombang tekanan. Gelombang ini merambat melalui bahagian dalam bintang dan boleh dipantulkan atau dibelokkan apabila melalui kawasan yang mempunyai sifat fizikal berbeza.
Gelombang tersebut menyebabkan bahagian tertentu bintang mengalami pengembangan dan pengecutan yang sangat kecil, lalu kecerahan bintang boleh berubah sedikit mengikut masa. Fenomena ini dikenali sebagai ayunan bintang. Kaedah ini mempunyai persamaan dengan seismologi di Bumi, iaitu kajian gelombang untuk mengetahui keadaan di bawah permukaan. Namun, gelombang di dalam bintang tidak semestinya berpunca daripada kejadian seperti gempa bumi.
Apakah jenis gelombang yang terdapat di dalam bintang?
Dua jenis ayunan yang penting dalam asteroseismologi ialah mod tekanan dan mod graviti. Mod tekanan berlaku apabila tekanan gas menjadi daya pemulih utama yang menyebabkan bahan bergerak kembali ke arah kedudukan keseimbangannya. Gelombang ini berkait dengan perubahan tekanan dan ketumpatan gas, dan kelajuannya dipengaruhi oleh sifat bahan yang dilaluinya, termasuk suhu dan komposisi.
Mod graviti pula berlaku apabila daya apungan bertindak sebagai daya pemulih terhadap bahan yang tersesar dalam kawasan bintang yang mempunyai susunan lapisan yang stabil. Mod graviti dapat memberikan maklumat tentang kawasan dalaman yang berbeza daripada kawasan yang dikaji melalui mod tekanan, dan sesetengah bintang juga menunjukkan mod campuran yang mempunyai ciri kedua-dua jenis ayunan.
Bagaimanakah getaran itu dapat dikesan?
Kebanyakan bintang terlalu jauh untuk membolehkan teleskop memerhatikan perubahan bentuk permukaannya secara terperinci. Sebaliknya, ahli astronomi mengukur kecerahan keseluruhan bintang secara berulang menggunakan alat yang sangat sensitif. Kaedah mengukur cahaya ini dikenali sebagai fotometri. Apabila bintang mengalami ayunan, kecerahannya mungkin meningkat dan menurun sedikit, dan perubahan tersebut boleh menjadi sangat kecil sehingga tidak dapat dikesan oleh mata manusia.
Teleskop angkasa dapat mengumpulkan pengukuran cahaya secara berterusan dalam tempoh yang panjang. Daripada data itu, penyelidik membina rekod perubahan kecerahan terhadap masa, lalu rekod ini dianalisis untuk mengenal pasti frekuensi ayunan yang terkandung di dalamnya. Sebuah bintang boleh mengalami banyak ayunan pada masa yang sama, maka perubahan kecerahan yang direkodkan biasanya bukan satu gelombang ringkas. Ahli astronomi menggunakan kaedah matematik untuk memisahkan corak ayunan tersebut kepada komponen frekuensi yang berbeza.
Mengapakah frekuensi ayunan mendedahkan struktur bintang?
Bayangkan dua alat muzik yang mempunyai saiz dan sifat bahan berbeza. Apabila kedua-duanya bergetar, bunyi yang dihasilkan mungkin mempunyai frekuensi yang berlainan, kerana corak getaran bergantung pada sifat fizikal alat muzik tersebut. Prinsip yang hampir sama digunakan dalam asteroseismologi. Frekuensi gelombang di dalam bintang bergantung pada keadaan bahan yang dilaluinya.
Sebagai contoh, perubahan ketumpatan purata dan saiz bintang boleh mempengaruhi corak frekuensi mod tekanan, manakala sesetengah mod graviti dan mod campuran memberikan maklumat tentang struktur serta keadaan di kawasan yang lebih dalam. Dengan membandingkan frekuensi yang diperhatikan dengan ramalan model fizik, ahli astronomi boleh menganggarkan jisim, jejari dan keadaan dalaman bintang. Walau bagaimanapun, analogi alat muzik mempunyai batasan, kerana bintang bukan objek pepejal dan ayunannya melibatkan gerakan gas serta plasma yang mempunyai sifat fizik lebih rumit.
Bolehkah usia bintang diketahui melalui getarannya?
Usia bintang tidak dapat dibaca secara langsung daripada satu frekuensi ayunan. Sebaliknya, ahli astronomi membandingkan corak ayunan dengan model perkembangan bintang. Model tersebut mengambil kira bagaimana struktur dalaman berubah apabila bintang menggunakan bahan api nuklearnya dan melalui pelbagai peringkat perkembangan. Apabila maklumat ayunan digabungkan dengan suhu permukaan serta komposisi kimia, penyelidik dapat mengehadkan julat jisim dan usia yang sesuai dengan pemerhatian.
Dalam kajian yang diterbitkan pada 2015, penyelidik menganalisis 33 bintang induk bagi calon planet luar suria menggunakan data ayunan daripada misi Kepler. Bagi sampel tersebut, median ketidakpastian statistik bagi anggaran usia ialah kira-kira 14 peratus, dan angka ini tidak merangkumi semua ketidakpastian sistematik daripada model yang digunakan. Angka itu tidak bermaksud semua usia bintang boleh ditentukan dengan ketepatan yang sama, kerana hasilnya bergantung pada kualiti data, jenis bintang dan model yang digunakan. Oleh itu, usia yang diperoleh melalui asteroseismologi ialah anggaran berasaskan pemerhatian dan model perkembangan bintang, bukannya ukuran langsung seperti membaca masa pada jam.
Bagaimanakah perubahan cahaya yang kecil dapat digunakan untuk mengkaji bahagian dalam bintang?
Mengapakah frekuensi ayunan bintang boleh memberikan maklumat tentang struktur dalamannya?