16,000 光年離れた青みがかった白い星、KIC 5520878 の点滅について John Learned を驚かせたのは、それがいかに人工的に見えるかということでした。
ハワイ大学マノア校のニュートリノ物理学者である Learned は、超高度なエイリアン文明がニュートリノビームで星をくすぐり、モールス信号のようなパルスを誘発することでメッセージを送信する可能性があるというお気に入りの理論を持っています。 「それは、終身在職中の上級教授がやり過ごすことができるようなものです」と彼は言いました。 NASA のケプラー望遠鏡によって最近記録された KIC 5520878 の脈動は、星がそのように使用されている可能性があることを示唆しています。
「変光星」である KIC 5520878 は、6 時間の周期で明るくなったり暗くなったりし、涼しくて澄んだ星と、熱くて不透明な星の間をシーソーで行き来します。このリズムに重なるのが、起源不明の微妙な 2 番目のバリエーションです。この周波数は最初の周波数と相互作用して、星のパルスの一部を他のものより明るくします。変動の中で、Learned は、素数 (地球外通信の考えられる基礎として浮上している) などの興味深い、おそらく知的なシーケンスを特定していました。その後、彼は星のパルスが混沌としているというヒントを見つけました。
しかし、Learned が昨年の夏、彼の調査について同僚の William Ditto に話したとき、Ditto は星の脈動を駆動する 2 つの周波数の比率に衝撃を受けました。
「私は言いました。『ちょっと待ってください。それが中庸です』」
1.618 から始まるこの無理数は、特定の渦巻き、黄金の長方形、そして今では 2 つの神秘的な星のプロセスの相対速度に見られます。これは、KIC 5520878 の点滅が地球外の信号ではなく、これまで自然界で発見されたことのない何か別のものであることを意味していました。それは、秩序と混沌の中間にある数学的な好奇心であり、「奇妙な無秩序なアトラクター」と呼ばれていました。
振り子、気象、変光星などの動的システムは、可能な限りの振る舞いのサブセットである限定された振る舞いのパターンに陥る傾向があります。たとえば、振り子は左右に揺れる必要があり、天候は一般的な可能性の範囲内にとどまります (夏に 0 度になることはありません)。これらのパターンをプロットすると、「アトラクター」と呼ばれる形状が作成されます。
1970 年代の数学者は、アトラクタを使用して天気のような混沌としたシステムの動作をモデル化し、アトラクタを介したそのようなシステムの将来のパスは、その正確な開始点に大きく依存することを発見しました。バタフライ効果として知られる初期条件に対するこの敏感さは、カオス系の挙動を予測不可能にします。今日の蝶の羽ばたきが、今から 2 週間後の晴天とハリケーンの違いを生むかどうかは、かなり前もって予測することはできません。ほとんどの混沌としたシステムがアトラクタを介してたどる無限に詳細な経路は、「フラクタル」と呼ばれます。フラクタルにズームインすると、イギリスのゴツゴツした海岸線にズームインするたびに新しい露頭が現れるように、新しいバリエーションが現れ続けます。このフラクタル構造を持つアトラクタは「ストレンジ アトラクタ」と呼ばれます。
その後、1984 年に、カレッジパークにあるメリーランド大学のセルソ・グレボギ、エドワード・オット、ジェームズ・ヨークが率いる数学者が、予想外の新しいカテゴリのオブジェクトを発見しました。これらの形状は、公倍数を持たない 2 つの周波数で駆動されるシステムの経路から形成されました。他のストレンジ アトラクタとは異なり、これらの特別な「無秩序な」アトラクタはバタフライ効果を示しませんでした。システムの初期状態への小さな変化は、アトラクタを通る結果として生じるフラクタルの旅に比例して小さな影響を与え、その進化を比較的安定して予測可能にしました.
「これらのフラクタル構造が完全に無秩序なものの中にあることを発見したことは、非常に驚くべきことでした」と、ブラジルのカオス理論家で、現在はスコットランドのアバディーン大学の教授である Grebogi 氏は述べています。
明確な例を特定することはできませんでしたが、科学者たちは、奇妙で非混沌としたアトラクタが私たちの周りや体内のいたるところにあるのではないかと推測しました。変化しつつも安定したパターンを持つ気候は、そのようなシステムである可能性があるように思われました。人間の脳は別かもしれません。
奇妙で無秩序なダイナミクスの最初の実験室でのデモンストレーションは、1990 年に発生し、オットと他ならぬウィリアム ディットが先頭に立ちました。メリーランド州シルバースプリングの海軍水上戦センターで働いていた同上、オット、および数人の共同研究者は、「磁気弾性リボン」と呼ばれる見掛け倒しの金属片の内部に磁場を誘導し、黄金比によって関連する2つの異なる周波数で磁場の強さを変化させました.リボンは奇妙な無秩序なパターンで硬直したり緩んだりし、6 年前の数学的発見に命を吹き込みました。 「これを最初に目にしたのは私たちでした。私たちはそれに満足していました」と同上は言いました。 「それから20年間忘れていました。」
学界の非常に異なる分野では、古代から天文学者が鼓動する星について熟考してきました。 1912 年、ヘンリエッタ レビットは、変光星が脈動する周波数が固有の明るさに対応することを発見しました。この特徴は、後に宇宙距離を測定するための「標準キャンドル」として使用できるようになりました。恒星の振る舞いについての従来の説明は、1930 年代に変光星が継続的なサイクルで成長と収縮を繰り返すことを提唱したサー アーサー エディントンに由来しています。不透明で星明かりを暗くします。星の内部に閉じ込められたエネルギーが蓄積されると、星は圧力の下で膨張し、冷えて透明になり、再び明るく輝きます.
変光星の研究は、2009 年にケプラー望遠鏡が打ち上げられてブームの時代に入りました。ケプラー望遠鏡は、遠く離れた惑星の兆候として星明かりの小さな異常を探しました。この望遠鏡は、銀河全体の変光星の脈動に関する前例のない大量のデータを収集しました。他の地上ベースの調査は、さらなる富を追加しました.
データは、エディントンが説明したものを超えた星のプロセスを示唆する多くの星の脈動の微妙な変動を明らかにしました。星の光のパルスは、スネアドラムのビートのような速い周波数とゴングのような遅い周波数の 2 つの主な周波数に分けることができ、2 つのリズムは同期していません。そして、「RRc」と呼ばれるサブクラスに属する KIC 5520878 のような変光星を含む 100 以上の変光星では、1 つの周波数の持続時間を他の周波数と比較して定義する比率は、不可解にも 1.58 から 1.64 の間になりました。
「これはまったく新しい比率であり、それが何なのかはわかりません」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターとベルギーの 2 つの大学で兼任している変光星の専門家である Katrien Kolenberg 氏は述べています。
このウィンドウ内に黄金比があります。昨年の夏にこの数字を見て、Ditto はすぐに KIC 5520878 とそのような星が奇妙な無秩序なダイナミクスを示しているのではないかと疑いました。実際、彼と彼の共著者が星の明るさを経時的に追跡したとき、彼らはケプラー データ セット KIC 5520878 の 4 つの RRc 星すべてにフラクタルでありながら無秩序な変化の兆候を発見しました.
星の明るさが時間の経過とともに増減するにつれて、ドーナツ型のアトラクタの周りをフラクタル パスで移動しているように見えます。ズームインまたはズームアウトすると、パスは解像度のすべてのスケールで同様に不規則に見えます。ゴツゴツした海岸線のように、星の明るさのピークは、より短い時間スケールで発生する小さなピークによって多様化されており、それらのピークにはさらに小さくて速いピークが点在しています。しかし、星は無秩序ではないため、バタフライ効果はありません。収束するパスは相関を保ちます。あなたがアトラクタの周りを動く星だと想像してみてください。 「30 分ごとにパンくずを 1 か所に落とします」と Ditto 氏は言います。 「2年後、私はその場所に来て、パンくずを落とし始めました.私は基本的に、何をしていても、数時間または数日ごとにパンくずリストに戻ります.それはクレイジーです。ドーナツ上の任意の 2 つの [近くの] ポイントは、そのように動作します。」
この発見は、2 月に Physical Review Letters で報告されました 、一部の天文学者は、変光星の内部の働きについての新しい手がかりを求めて難解な数学論文に目を向けています.
ハンガリーのブダペストにあるコンコリー天文台の変光星の専門家であるロベルト・サボー氏は、「これは新しい種類の動的挙動であるため、非常に興味深いものです」と述べています。 「しかし、それは単なる偶然かもしれません」と、星で働いている基本的な物理学とは無関係です。謎に追加されているのは、他の何百もの変光星も、黄金比に近い 2 つの周波数によってアトラクタを介して駆動されていますが、そのような特別な動的挙動を引き起こすほど常に近いとは限りません。
「これらすべてが疑問を投げかけています」とディット氏は言いました。
新しい論文は 1 つの仮説を提示します。 Andrey Kolmogorov、Vladimir Arnold、および Jürgen Moser にちなんで名付けられた KAM の定理は、無理数の比率で周波数によって駆動されるシステムが最も安定する傾向があると考えています。つまり、新しい動きの状態に簡単に外れることはありません。その場合、黄金比のような数に到達するまで進化するのが、不安定な星の宿命かもしれません。 「これは摂動に対して最も堅牢な数値です。つまり、これらの星がそれを選択する可能性があることを意味します」と Ditto は説明しました。
変光星の専門家は、新たに発見された二次周波数を組み込んだ新しい恒星物理モデルの開発を計画しています。これにより、彼らは周波数の可能な物理的起源とKAM定理の関連性を調べることができます. 「優れたモデルがあれば、何が起こっているのかを知ることができます」と Szabó 氏は言いました。
Learned については、The Astrophysical Journal で同僚と報告しました。 結局のところ、KIC 5520878 の点滅はほぼ間違いなく自然なことであり、昨年の出来事は「科学が実際に動いている」ことの典型的な例である、と彼は言いました。 「私たちは奇抜なものを探し始めましたが、星のダイナミクスを理解する上で非常に重要であることが判明する可能性のあるものを見つけました。」
2015 年 3 月 11 日の訂正:この記事の以前のバージョンでは、オウムガイの殻に黄金比があると主張していましたが、これはよくある誤解です。オウムガイの殻は、比率 4/3、つまり 1.33 に近づきます。
