Fizikai Szemle 2006/11. 392.o.
KOZMIKUS INFRAHANG-DIAGNOSZTIKA
Napjainkban már nem csodálkozunk azon, hogy hang segítségével
is "láthatunk". Sok család fényképgyűjteményében
megtaláljuk a születés előtt készült magzati felvételeket,
sőt, manapság már a videogyűjteményben is ott
van a magzati video, amely a születendő gyermek jó minőségű
mozgóképét mutatja. A felvételek titka az ultrahang.
De nem kell az emberkéz alkotta eszközöket előhoznunk,
hogy ezt a módszert megtaláljuk a denevér
úgyszintén az ultrahangok segítségével képezi le a környező
világot. A denevér számára a látás megfelelője az
ultrahangok és speciális füle segítségével jön létre. Aki
látott már denevért repülés közben manőverezni és rovarokra
vadászni, annak egyértelmű, hogy a repülő emlős
az ultrahang radarja segítségével kellő precizitással látja a
környező világot (1. ábra).
Egy bizonyos szintig az embereknek is ad térbeli információt
a hallás a hangforrás irányát viszonylag könnyen
felismerjük. Képalkotáshoz viszont a visszaverődött hullámok
(akár fény, akár hang) megfelelő felismerésére is
szükség van. A "képalkotásban" az emberi hallás frekvenciatartománya
is határt szab a felbontóképességet a
képalkotó rezgés hullámhossza határozza meg. A levegőben
mért hangsebesség mellett az 1000 Hz-es hanghoz
tartozó hullámhossz 34 cm, 100 Hz-nél pedig 3,4 m. Nem
véletlen, hogy a házimozik hangrendszere csak egy
mélysugárzót tartalmaz a mély hangok hullámhossza a
szoba méretével azonos nagyságrendű, így térbeli információt
nem hordozhat. Rögtön érthető, hogy a denevérek
szonárja a 20 és 100 kHz közötti tartományban működik.
A magas frekvencia szükséges ahhoz, hogy a hullámhossz
a pár milliméter-egy centiméter tartományba
essen, és a felbontóképesség elegendő legyen ahhoz,
hogy a szúnyog a denevér szájában landoljon. Gyorsan
rájöhetünk, hogy a magzati ultrahangkészülék nem zavarná
a denevérek navigációját ott még nagyobb frekvenciára
van szükség. A testszövetekben a hangsebesség
is nagyobb (1500 m/s), így a kellő pontosságú leképezéshez
több MHz-es frekvenciára van szükség. (Érdemes
megjegyeznünk hogy a frekvenciától függetlenül ezt is
ultrahangnak nevezzük!) Túl magas frekvenciát sem szabad
alkalmazni, mivel a hullámhossz csökkenésével a
hanghullámok egyre hamarabb elnyelődnek, így nem láthatunk
elég mélyre az emberi testben.
A megfigyelendő objektum méretének növekedésével
egyre mélyebb hangokat használhatunk. A folyók
vagy tengerek mélységét jelző, vagy a tengeralattjárók
navigációját segítő szonár már a hallható frekvenciatartományban
működik. Filmekben sokszor hallhatjuk a
jellegzetes "ping" hangot, ami egy változó frekvenciájú
zúgás. Persze az állatvilág itt is megelőzte az embert. A
bálnák és a delfinek szonárt is használnak a tájékozódáshoz
és "halászathoz". Felvetődik a kérdés, hogy az
infrahangok használhatók-e valamilyen diagnosztikára.
(Infrahangnak nevezünk minden hangot, amelynek a
frekvenciája 20 Hz alatti, így akár a nanoHz-es tartományt
is!) Itt még nagyobb méretek felé kell mennünk.
A legkézenfekvőbb válasz a Föld belsejének megismerése
a földrengéshullámok segítségével. Ez esetben a
rezgések a hallható és a közeli infrahangtartományba
esnek. Ha még mélyebb hangokat akarunk találni, akkor
távolabb kell mennünk.
A Földet elhagyva vajon használhatunk-e hanghullámokat
diagnosztikai célra? Az égitestek közötti (bolygóközi
vagy csillagközi) anyag annyira ritka, hogy gyakorlatilag
vákuumnak tekinthető, így abban hanghullámok
nem terjedhetnek. Az aktív radarról egyébként is le kellene
mondani a nagy távolságok miatt, időben és energiában
is messze lennénk az alkalmazhatóságtól. Persze a
hang továbbításának egyéb lehetőségei is vannak elég
csak a rádióra vagy mobiltelefonra gondolnunk, ahol a
hangjelben rejlő információt rádióhullámok továbbítják.
Ha vezetékes hálózaton telefonálunk, jó esély van rá,
hogy, legalább részben, optikai kábelben haladó fény
segítségével jut hozzánk a hang. Így elegendő lenne egy
olyan mechanizmust találni a Világegyetem valamely
égitestjében, amely képes a hanghullámok segítségével
modulálni az elektromágneses hullámokat. Természetesen
ez csak úgy jöhet létre, ha maga a hangot közvetítő
anyag elektromágneses hullámokat bocsát ki. A legegyszerűbb
példa ilyen közegre a gyertya lángja, amivel egy
egyszerű kísérletet is elvégezhetünk. Tegyünk egy, esetleg
több gyertyát egy hangsugárzó elé (mélysugárzókkal
biztos az eredmény):elegendő hangerő mellett (persze
környezetünk nyugalmára ügyelve) a gyertya lángja az
erősebb hangok hatására megremeg. Mivel a hang hullámhossza
nagyobb, mint a gyertyaláng mérete, magáról
az áthaladó hullámról nem kapunk teljes információt. A
zene ritmusáról, esetleg a mélyebb hangok frekvenciájáról
viszont jól láthatóan meggyőződhetünk.
A csillagok fénye azok fotoszférájából érkezik hozzánk.
Ez az a tartomány, amely fölött a csillag anyaga már átlátszóvá
válik, alatta viszont túlságosan sűrű ahhoz, hogy a
fotonok kibocsátásuk után ne ütközzenek azonnal egy
újabb részecskével. A fotonok útja a fotoszféráig nagyon
kalandos százezer évekig véletlenszerűen bolyonganak
az elindult fotonok és azok elnyelés, újrakibocsátás útján
létrejött utódai az energiát termelő magtól kiindulva a csillag
belsejében. Gyakorlatilag a fotoszféra alatti teljes gömböt
bejárják, míg a fotoszféra hőmérsékletének megfelelő
energiaeloszlással végül kiszabadulnak a csillagból. A fotoszféra
egy átmeneti tartomány, nagyon vékony a csillag
sugarához képest. Ha a csillag belsejében hanghullámok
mozognának, akkor ez a réteg hasonlóan viselkedne, mint
a hangszóró elé tett gyertya, és a fény ingadozásából legalább
a rezgések periódusára következtetni tudnánk.
A természet kegyes volt a csillagászokhoz ténylegesen
léteznek olyan csillagok, amelyekben hanghullámok terjednek.
Persze a csillagok fényváltozását lényegesen korábban
felismerték, mint annak ezt a hanghullámokhoz
kapcsolódó magyarázatát. Egy változócsillag első dokumentált
felfedezése Fabricius nevéhez fűződik, aki 1596-ban
ismerte fel a Mira Ceti fényváltozását. A csillagbelső
fizikájának felfedése egyértelműen a 20. század tudománya,
de még bőven maradt tennivaló a 21. századra is. A
csillagok hanghullámai nagyon hangosak: a rezgések
amplitúdója akkora, hogy a fotoszféra hőmérséklete több
száz foknyit ingadozhat egy rezgés alatt. Ez a hőmérséklet-
különbség pedig már elegendő ahhoz, hogy az onnan
távozó fény energiaeloszlása (amely nagyon jó közelítéssel
a feketetest-sugárzásnak megfelelő) jelentősen megváltozzon,
ami végső soron a fényintenzitás és kisebb
mértékben a szín váltakozásában jelenik meg. A hanghullámok
nagy amplitúdója a közönséges hangoknál nem
jellemző jelenséget is okoz a sűrűség intenzív változása
miatt a csillag sugara is ingadozik. A csillag méretének
változása csak kisebb mértékben jelenik meg a fénygörbében
(a teljes kibocsátott energia a sugár négyzetével,
míg a hőmérséklet negyedik hatványával arányos), azonban
a fotoszféra mozgásából adódó, a megfigyelő irányába
mutató sebességkomponens a színképvonalak Doppler-
eltolódásából meghatározható. A csillagok esetében
belátható, hogy lehetőség van az infrahang-diagnosztikára.
Ráadásul a csillagok egy csoportja maga szolgáltatja a
hangforrást is. A fotonok terjedésének és az anyag mozgásának
kölcsönhatása adja a hangok energiaforrását. A
gáz fényáteresztő képessége egyes helyeken éppen az
áthaladó hullámok hatására változik. Így eltérő mértékben
nyeli el az elektromágneses sugárzást, kedvező esetben
hanghullámok kialakulását előidézve.
A csillaghangok megfigyelései legkönnyebben és legpontosabban
egy fontos paramétert, a csillagrezgések
hangmagasságát szolgáltatják. A csillagok periódusa néhány
perctől több évig terjed, így frekvenciában kifejezve
a hangmagasság nagyjából 10 nHz és 10 mHz közé esik. A
csillaghangtartomány az infrahangok egy széles, zenei kifejezéssel
20 oktávnyi tartományába esik. A fülünk érzékenysége
10 oktávnyi terjedelmet fog át, és a legmagasabb
csillaghangok és az ember számára hallható legmélyebb
hangok között is körülbelül 10 oktávnyi különbség van.
Miként használhatók a csillagok infrahangjai a csillagok
megismerésére, azaz diagnosztikájára? Az elsődleges
adat, amire következtethetünk, a csillagok mérete. A csillagok
hangjai sok szempontból a sípok hangjaihoz hasonlíthatók.
Mindkét esetben állóhullámokkal találkozunk,
melyek frekvenciája egyszerűen a hangsebesség és
a geometriai méret hányadosával arányos. A csillagoknak
megfelelő sípok mindkét oldalukon zártak, a legmélyebb
hangjuk esetében éppen egy félhullám fér el bennük. A
normál zenei "kis F" hang frekvenciája 349 Hz, amelyhez
majdnem pontosan egyméteres hullámhossz tartozik,
tehát egy félméteres, két végén zárt síppal szólaltatható
meg. Tekintsünk egy tipikus csillagot, 4 napos periódussal
(2,89 µHz frekvencia). Ha normál levegővel töltött
síppal szeretnénk ilyen hangot létrehozni, akkor méretének
60 000 km-nek kellene lennie. Szerencsés esetben
egy ilyen csillag egyéb megfigyeléséből (pl. parallaxis)
meghatározhatjuk a távolságát. A fényessége és a színe
alapján adódó hőmérséklet ismeretében kiszámolhatjuk a
tényleges sugarát is (a távolság és a fényesség ismeretében
adódik a teljes kibocsátott energia, a hőmérséklet
viszont a felületegység által kibocsátott energiát határozza
meg). A mérések alapján a csillag sugarára körülbelül
24 millió km adódhat (35 napátmérő), lényegesen nagyobb,
mint ami a "földi" síp alapján becsült érték. A méret
400-szoros eltérését csak a hangsebesség hasonló arányú
eltérése okozhatja.
A csillagok persze lényegesen bonyolultabbak a sípoknál.
A felszínükről befelé haladva a hidrosztatikai
egyensúly fenntartásához a nyomásnak növekednie kell,
így a hangsebesség sem lehet állandó. Valójában a csillagok
rezgési periódusait csak akkor használhatjuk fel belsejük
megismerésére, ha a csillagszerkezet fizikai modelljeit
is felhasználjuk. Megfelelő koordináta-transzformációval
olyan feladat fogalmazható meg, amelyben a
hangsebesség állandó, és egy közelítéssel akár olyan
trombitát is tervezhetünk, amelynek lehetséges hangmagasságai
a csillagrezgések arányait követik. Sokat segít
az, ha egy csillag nem egyetlen hangon sípol, hanem egy
"akkordot" szólaltat meg. Ezek az akkordok persze szokatlanok
lesznek a fülünknek (ha azokat a hallható tartományba
csúsztatjuk), éppen azért, mert a hangsebesség
helyfüggése miatt nem az orgonasípokban megszokott
hangmagasságarányok lépnek fel. Egy csillag zenéjének
frekvenciaarányai annál többet árulnak el a csillag belsejéről,
minél több hangot találunk.
A csillagok egy jelentős része ráadásul nemcsak a sípokhoz
hasonló, egydimenziós rezgésekre képes (a korábbi
esetben csak sugárirányú változások voltak),
hanem felszín menti hullámok is fellépnek. A távoli csillagok
ilyen hullámainak egy része még kimutatható amplitúdójú
fényváltozást produkál, így a Földről is megfigyelhetők.
Igazából viszont a legközelebbi csillag, a Nap
az, ahol közvetlenül is megfigyelhetők a hanghullámok.
A színképvonalak eltolódásából a napkorong minden
egyes pontjának sebessége meghatározható.
Az így készült 2. ábrán a domináns szerkezet a Nap
forgásából származó aszimmetria. A forgás után fennmaradó
szerkezet azonban nagyon fontos információt takar:
hasonló felvételek időbeli sorozatából megfelelő matematikai
módszerekkel hangrezgések tízezrei azonosíthatók.
Ezek a körülbelül 5 perces rezgések a Nap szerkezetének
hírvivői, a magzati ultrahangvizsgálathoz hasonlóan
precíz képet adnak központi égitestünk fényben láthatatlan
belsejéről. Többek között a Nap belső differenciális
forgását tárták fel ezek a mérések, de a Nap tőlünk
nem látható oldalán lévő nagyobb napfoltok is kimutathatók
az infrahang-diagnosztika segítségével.
Kolláth Zoltán
MTA KTM Csillagászati Kutatóintézete
További olvasnivalók:
http://www.mindentudas.hu/kollath
http://www.konkoly.hu/staff/kollath/stellarmusic