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傅里叶变换如何应用于实际的物理信号?

头图

这个问题简直是为了恒星震动而生的!

  • 恒星震动

恒星是一团很热的等离子气体,在引力和气体压力的平衡下保持稳定。但是,如果其内部有一些扰动,那么恒星的结构就会发生周期性的震动,这就是恒星震动。

各种震动模式

恒星震动的一个结果就是,恒星的亮度会发生周期性的变化。所以天文学家通过观测恒星亮度的变化,即可知道恒星是否在震动,也可以把观测和理论做对比,探测恒星内部结构。

  • 光变曲线

现在以一颗星为例,演示一下傅里叶变换在星震里的作用。

开普勒卫星很厉害,对着天鹅座和天琴座之间的一片天区连续观测了四年,天文学家下载好了某一颗星的亮度数据,也就是光变曲线,如下图

横轴为时间,纵轴为亮度

横轴为时间,纵轴为亮度。但啥也看不出来是不是?那我们放大看看

横轴还是时间,纵轴还是亮度

放大看好像能看出一点问题了,似乎恒星的亮度在上下波动?但这个波动是真的吗?还是只是测量的不确定度造成的呢?于是我们做个傅里叶变换。

  • 傅里叶变换

具体怎么做傅里叶变换可以看这篇文章。

李刚:《恒星脉动》笔记一:观测数据的傅立叶变换

做完傅里叶变换后,我们终于看到了一些东西。。

横轴是频率,单位是天分之一。纵轴是振幅。

上图就是把光变曲线做完傅里叶变换后的样子,即功率谱。其横轴是频率,单位是天分之一,纵轴是振幅。简单来说,如果光变曲线里有一个频率为

的信号,那么在功率谱里频率

的地方就会有一个峰。

  • 引力模式和压力模式

功率谱明显分成两部分,左边的低频信号和右边的高频信号。低频信号(在 1 天分之一)是恒星内核的震动,回复力为浮力,我们叫它们重力模式。高频信号(18 天分之一那里)是恒星外层的震动,回复力是压力,我们叫它们压力模式。

我们先来看压力模式:

压力模式的一个震动模式的三重分裂

上图展示了压力模式某一个震动频率的分裂。分裂的原因是表面的自转。由于自转的原因,震动频率会分裂成三个,分裂大小即等于表面自转频率。所以这颗星的表面的自转大约就是 0.01 天分之一,即大约 100 天转一圈。

引力模式的泛音和自转分裂

现在再说说引力模式。引力模式发生在恒星内部,其震动频率较低。上图即为这颗星的引力模式,可以看到每一个峰都分裂成了两个,而且有一系列的峰。分裂成两个即为内核自转造成的,而所谓一系列的峰为不同径向节点数的泛音。。好吧我也不知道怎么举例了。。

理论上预言,引力模式一系列峰,以周期为单位的话,应该会等间隔。我们画一下看看

上图还是功率谱,但是轴坐标为周期了,即频率的倒数。现在可以看到,引力模式的一系列峰确实是近似等间隔的,都在 2100 秒上下波动,有波动的原因是内部元素梯度。所以天文学家就可以用这个来推算内部氢燃烧阶段,以及元素混合的程度。

自转分裂用加号和减号标注出来了。对于引力模式,自转分裂等于自转频率的一半,算出来这颗恒星的内核自转速度也差不多是 100 天一圈,和表面一样。

所以我们用压力模式简单算了下表面的自转,又用引力模式算了内核的自转,发现都是一百天。这颗恒星这么巨大,也都是气体不是固体,自转速度从里向外居然是一样的!

  • 更多的例子
内核自转很快的一颗星

这个还是个功率谱,还是引力模式,但是你会发现这一系列的峰(红色点点)的间隔变得越来越小了,这是因为内核自转太快了,大约是 0.8 天。

太阳的功率谱

上图是我们太阳的功率谱,你会发现这些峰在频率上几乎是等间隔,而且会一组一组地出现。

  • 总结

恒星不是不变的,恒星也会震动。但是直接看震动信号的话,很难看出什么,做过傅里叶变换后,就可以看到一个个的震动频率了。天文学家就可以用这些震动频率去推测恒星内部的环境,也可以检测当前物理模型是不是正确。

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