Stałem pod Orionem w pogodne wieczory, pragnąc, by jego gwiazda Betelgeza wybuchła. "No dalej, wybuchnij!" Pod koniec 2019 roku Betelgeza doświadczyła bezprecedensowego zdarzenia przyciemnienia, spadając o 1,6 magnitudo do 1/3 swojej maksymalnej jasności. Astronomowie zastanawiali się - czy było to prekursorem supernowej? Jakże kosmicznie cudownie byłoby być świadkiem momentu wybuchu Betelgezy. Gwiazda rozpadająca się w blasku światła, rozrzucająca po całym Wszechświecie zalążki planet, księżyców, a może i życia. Twórczy kataklizm.
Tylko około dziesięciu supernowych zostało zaobserwowanych gołym okiem w całej zapisanej historii. Teraz możemy przejrzeć starożytne zapisy astronomiczne za pomocą teleskopów i odkryć pozostałości po supernowej, takie jak genialna SN 1006 (świadek w 1006 r. n.e.), której wybuch stworzył jeden z najjaśniejszych obiektów, jakie kiedykolwiek widziano na niebie. Niestety, najnowsze badania sugerują, że wszyscy możemy poczekać nawet kolejne 100 000 lat, aż Betelgeza wybuchnie. Jednak badanie tego ostatniego wydarzenia pozwoliło uzyskać nowe informacje na temat Betelgezy, które mogą pomóc nam lepiej zrozumieć gwiazdy w stanie przedsupernowych.
ESO / M. Montargès et al.
Balansowanie na ramieniu olbrzyma
Betelgeza, aka Alfa Orionis, to czerwona gwiazda typu Supergigant. Jej nazwa pochodzi od arabskiego słowa "bat al-jawz'", które tłumaczy się jako "ramię olbrzyma", jako że gwiazda tworzy lewe ramię Oriona (być może wspomina o niej Replikant "Roy" w swoim monologu "łzy w deszczu" z filmu Bladerunner). Przez całe swoje życie gwiazdy walczą o równowagę z miażdżącą siłą własnej grawitacji, wykorzystując do tego siłę własnej energii - jest to stan znany jako równowaga hydrostatyczna. Każde zakłócenie tej równowagi powoduje zmiany w gwieździe - niektóre dramatyczne, inne katastrofalne.
Grawitacja jest zarówno początkiem, jak i końcem gwiazdy. Najpierw przyciąga surowiec do stworzenia gwiazdy, gazowy wodór z pustki międzygwiezdnej, i zgniata go razem. Skompresowany i podgrzany wodór zapoczątkowuje fuzję jądrową w jądrze gwiazdy (jądro naszego Słońca obejmuje 1/4 jego promienia), która wypromieniowuje energię z powrotem na zewnątrz, na zewnętrzne warstwy gwiazdy. Tak długo, jak gwiazda ma zapas wodoru, może utrzymać swoją własną masę i osiąga równowagę sfery. Gdy zabraknie paliwa, grawitacja doprowadzi życie gwiazdy do miażdżącego końca. Gwiazdy w fazie spalania jądra wodorowego zaliczane są do "Sekwencji Głównej" - termin ten pochodzi z diagramu Hertzsprunga-Russela (HR) (poniżej).
Diagram HR pomaga nam określić fazę życia danej gwiazdy na podstawie jej magnitudy (jasności - oś Y) oraz koloru lub typu widmowego (przypisanego do kategorii literowej - oś X). Wszystkie gwiazdy spalające wodór znajdą się na centralnej Main Sequence w kształcie litery S. na tym diagramie. Pomyśl o tym jak o okresie dojrzałości gwiazdy. Nasze własne Słońce znajduje się na Sekwencji Głównej jako gwiazda klasy G - "Żółty Karzeł". Wciąż spala wodór i będzie tak jeszcze przez kilka miliardów lat. Jednakże, gdy paliwo wodorowe w jądrze gwiazdy zostanie wyczerpane, równowaga zostaje zachwiana. Wypływ energii spowalnia się, a grawitacja zaczyna miażdżyć jądro gwiazdy. W tym momencie gwiazda dostaje drugie życie - choć w nowej formie.
Zgniatanie jądra powoduje wzrost jego temperatury. Podwyższona temperatura promieniuje na zewnątrz do zapasów wodoru, które pozostały w warstwach poza jądrem, które wcześniej były zbyt zimne, aby doszło do fuzji. Ta powłoka wodoru poza jądrem teraz się zapala, ale spalanie tej zewnętrznej, płytszej warstwy powoduje puchnięcie gwiazdy. Ponieważ zewnętrzne warstwy rozszerzają się na zewnątrz, powierzchnia gwiazdy jest teraz bardziej oddalona od jądra i rozciąga się na większy obszar, co powoduje jej ochłodzenie i zmianę koloru na czerwony (gwiazdy są bardziej czerwone, gdy są chłodniejsze, a bardziej niebieskie, gdy są gorętsze). Gwiazda "ewoluuje" w Czerwonego Olbrzyma (lub Czerwonego Supergiganta w przypadku bardzo masywnych, jasnych gwiazd). Jeśli gwiazda jest wystarczająco masywna, rosnąca temperatura w jej jądrze spowoduje również zapłon helu, który nagromadził się jako produkt uboczny spalania wodoru. Po "spopieleniu" hel staje się wtórnym, "awaryjnym" źródłem paliwa w przegranej walce z grawitacją.
Oddychająca gwiazda
Jednak Betelgeza nie osiągnęła jeszcze nowej stabilnej równowagi. Gwiazda pulsuje jasnością i dlatego jest klasyfikowana jako "gwiazda zmienna". Zrozumienie przyczyny lub "trybu" zmienności pozwala badaczom określić kilka kluczowych cech fizycznych Betelgezy - na tym skupia się najnowsza publikacja autorstwa dr Meredith Joyce z Australian National University, dr Shing-Chi Leung z CalTech oraz dr Chiaki Kobayashi profesora nadzwyczajnego z University of Hertfordshire.
Więc co to jest Mechanizm Kappa? Gwiazdy zbudowane są ze zjonizowanego gazu. Kiedy podgrzewasz wodór w gwieździe, elektrony są odrywane od atomów wodoru - proces jonizacji - co zamienia gwiazdę w bulgoczącą zupę swobodnie latających elektronów zwaną plazmą. Plazma stanowi 99% widzialnego Wszechświata (my, niezjonizowana plazma, jesteśmy właściwie rzadkością w kosmosie). Jednakże jonizacja nie jest jednorodna w całej gwieździe i istnieje w kilku warstwach o różnym stopniu częściowej jonizacji. Kluczową cechą częściowo zjonizowanego wodoru jest to, że gdy jest on ściskany, staje się bardziej nieprzezroczysty w porównaniu z otaczającymi go warstwami. Te warstwy nieprzezroczystego, częściowo zjonizowanego wodoru mogą izolować i zatrzymywać energię, gdy ta próbuje przemieszczać się z jądra na powierzchnię. W gwiazdach Sekwencji Głównej uwięziona energia chce wypchnąć te nieprzezroczyste warstwy w górę, ale powyżej znajduje się zbyt dużo gęstej masy gwiazdy, aby to ruszyć. Ostatecznie uwięziona energia znajduje inne drogi na powierzchnię, albo nierównomierna jonizacja jest wyrównywana przez wirowanie gwiazdy.
Jednakże, gdy gwiazda rozszerza się w czerwonego olbrzyma, te nieprzezroczyste warstwy częściowej jonizacji unoszą się bliżej powierzchni gwiazdy, gdzie mogą się swobodniej poruszać. Mając większą swobodę ruchu, gdy wystarczająca ilość energii zostanie uwięziona pod nieprzezroczystym gazem izolującym, warstwa ta jest wypychana ku górze i napiera na powierzchnię gwiazdy, powodując jej dalsze pęcznienie. W miarę jak warstwa się rozszerza, staje się mniej ściśnięta, mniej nieprzezroczysta i bardziej przejrzysta dla energii, pozwalając uwięzionej energii uciec przez powierzchnię w przestrzeń. Po utracie energii warstwa traci pęd i opada z powrotem w kierunku gwiazdy, gdzie ponownie staje się ściśnięta i nieprzezroczysta pod jej powierzchnią. Pomyśl o tym jak o zaworze parowym w czajniku. Powstaje wystarczająco dużo pary, zawór jest przesuwany do góry, aby się otworzyć, para jest uwalniana, a następnie zawór opada i zamyka się. Z każdym impulsem gwiazda zmienia swój promień i jasność. Funkcja tego nieprzezroczystego, częściowo zjonizowanego gazu w wywoływaniu pulsacji to Mechanizm Kappa. Oto jak działa ten cykl:
1.Gwiazda rozszerza się do czerwonego olbrzyma, gdy jej jądro spala paliwo wodorowe
2. Ekspansja powoduje, że warstwy częściowej jonizacji wznoszą się na płytsze głębokości wewnątrz gwiazdy.
3. Gdy powierzchnia gwiazdy rozszerza się na zewnątrz, jest przenoszona przez moment pędu poza równowagę grawitacyjną gwiazdy, gdzie zwalnia i opada z powrotem do środka.
B) Cykl mechanizmu Kappa
4. Zapadająca się gwiazda ściska warstwy częściowo zjonizowanego wodoru w pobliżu powierzchni gwiazdy. Kompresja powoduje, że warstwy te stają się bardziej nieprzezroczyste, zatrzymując energię pod powierzchnią.
5. Gwiazda nadal się kurczy, aż nieprzezroczystość częściowo zjonizowanych warstw osiągnie maksimum. W końcu pod nieprzezroczystymi warstwami zostaje uwięziona wystarczająca ilość energii, aby pokonać pęd kolapsu.
W tym momencie gwiazda ma najbardziej zwarty promień i staje się najgorętsza i najjaśniejsza w cyklu.
6. Ściśnięta warstwa nieprzezroczysta przestaje teraz opadać i zaczyna odwracać kierunek w stronę powierzchni, wypychana na zewnątrz wbrew grawitacji przez uwięzioną pod nią energię.
7. Rozszerzająca się nieprzezroczysta warstwa napiera na powierzchnię gwiazdy powodując jej puchnięcie. Rozszerzające się warstwy nieprzezroczyste stają się mniej ściśnięte i bardziej przezroczyste, uwalniając uwięzioną energię. Gdy jest najbardziej rozciągnięta, gwiazda będzie najchłodniejsza i najciemniejsza w cyklu.
8. Zewnętrzne warstwy gwiazdy w końcu tracą impet i opadają z powrotem do środka, rozpoczynając cykl od nowa w kroku 4.)
Wyobraź sobie, że unosisz się w pobliżu powierzchni czerwonego supergiganta o objętości miliony razy większej od Słońca i obserwujesz, jak jego zewnętrzne warstwy rozszerzają się i kurczą. Powierzchnia gwiazdy może poruszać się z prędkością do jednego kilometra na sekundę! Behemot bierze jeden gigantyczny oddech każdego roku.
Naukowcy użyli modeli komputerowych, aby potwierdzić, że mechanizm Kappa jest odpowiedzialny za 416-dniowy cykl lub okres w jasności Betelgezy. Jednak wirtualny model nie był w stanie odtworzyć drugiego 185-dniowego okresu i dłuższego 2365-dniowego okresu, który zespół badawczy fizycznie zaobserwował u samej gwiazdy. Możliwe, że Mechanizm Kappa oddziałuje z innymi wewnętrznymi cechami gwiazdy, aby wytworzyć inny tryb zmienności gwiazdy. Naukowcy doszli więc do wniosku, że Betelgeza jest "gwiazdą zmienną podwójnego trybu".
Krótszy 185-dniowy okres jest klasyfikowany jako "overtone" w pulsacjach gwiazdy. Słowo "ton" jest trafne, ponieważ falowanie gwiazdy jest w zasadzie falą dźwiękową w wirującej plazmie. Okres 2365 dni jest określany jako LSP lub Long-Secondary Period. Pochodzenie tych dwóch pozostałych okresów nie jest do końca jasne. Naukowcy zachęcają, aby w przyszłości opracować bardziej zaawansowane modele komputerowe, które pozwolą na dalsze badanie pozostałych okresów gwiazdy.
Ponieważ Betelgeza wciąż pulsuje, naukowcy stwierdzili, że gwiazda jest prawdopodobnie we wczesnej fazie spalania helu w procesie przemiany w czerwonego supergiganta i może płonąć przez kolejne 100 000 lat, aż grawitacja zwycięży całkowicie i gwiazda zapadnie się w supernową.
Ślad gwiezdnego domina
Impulsy Betelgezy pozwalają badaczom na uzyskanie innych informacji o ogólnych cechach gwiazdy, takich jak jej promień. Wiemy, że impulsy podróżują przez gwiazdę, co zajmuje pewien czas, określany przez okres impulsu. Naukowcy mogą obliczyć, z jaką prędkością poruszają się impulsy (prędkość "dźwięku" biorąc pod uwagę gęstość Betelgezy) i użyć czasu trwania okresu do określenia odległości, na jaką przemieściły się przez gwiazdę. Używając tych obliczeń, promień Betelgezy został zaktualizowany do 764 promieni słonecznych (764 razy promień Słońca), czyli około 66% wcześniejszych szacunków.
Promień Betelgezy był notorycznie trudny do obliczenia, ponieważ w przeciwieństwie do naszego Słońca, jednego z najbardziej idealnie kulistych obiektów w Układzie Słonecznym, fotosfera lub powierzchnia Betelgezy jest dość "rozmyta". Czerwone Olbrzymy bardziej przypominają gwiezdne "chmury" niż kule. Na powierzchni Betelgezy widoczne są również wybrzuszenia rozciągające się na setki milionów kilometrów, które unoszą się w jej czerwonej gigantyczności. Chociaż nowy promień gwiazdy jest mniejszy niż początkowo sądzono, jej powierzchnia nadal sięgałaby Marsa i pasa asteroid, gdyby umieścić ją w centrum naszego Układu Słonecznego.
Wreszcie, naukowcy zważyli naszego sąsiedniego olbrzyma. Mamy ogólne pojęcie o tempie, w jakim Betelgeza traci masę w kosmosie - obecnie około jednej masy Słońca co około milion lat - wydmuchiwana jest w Kosmos. Eksperymentując poprzez symulacje z różnymi "progenitorami" lub masami początkowymi, gdy Betelgeza była młodą gwiazdą ciągu głównego, symulacja przebiega w czasie aż do momentu, gdy gwiazda wykazuje pulsacje w mechanizmie Kappa. Betelgeza osiąga masę 16,5-19 mas Słońca (masa naszego Słońca) przy masie progenitora 18-21. Symulacje te dostarczają również dowodów na to, że Betelgeza ma prawdopodobnie tylko 7-11 milionów lat. Gwiazdy takie jak ona są ulotną iskrą w kosmicznym czasie.
Światło w ciemności
Ze wszystkimi nowymi informacjami na temat Betelgezy, wciąż mamy zagadkę. Co spowodowało ściemnienie pod koniec 2019 roku? Jeśli Betelgeza ma jeszcze tysiąclecia przed swoją wspaniałą śmiercią, co się stało? Dwie możliwe odpowiedzi: Kombinacja wielu trybów zmienności w gwieździe wyrównała się, aby wzmocnić przyciemnienie zwykłej zmienności. Podobnie jak wrzucanie wielu kamieni do stawu, czasami fale mogą się łączyć tworząc większe fale, lub właściwie zniwelować się nawzajem. Być może byliśmy świadkami tego rodzaju zdarzenia. Albo, inna prawdopodobna przyczyna, masywna chmura pyłu przemieściła się między nami a Betelgezą blokując tymczasowo część światła gwiazdy - raczej zewnętrzne niż wewnętrzne przyciemnienie.
Podczas gdy nasze Słońce prawdopodobnie widziało wiele gwiezdnych eksplozji podczas swojej trwającej eony podróży po Drodze Mlecznej, supernowa jest zdumiewająca dla naszego ograniczonego ludzkiego życia. Eksplozja Betelgezy byłaby na tyle jasna, że rzucałaby cienie w nocy. Byłaby nawet widoczna w ciągu dnia. Eksplozja będzie powoli zanikać w nadchodzących miesiącach. Po roku zniknęłaby z pola widzenia. Prawdopodobnie nie będzie nas przy tym, ale ktoś być może tak. Możemy myśleć, że jesteśmy raczej nietrwali, ale tak samo jest z samym niebem - gwiazdy znikają we mgle przestrzeni i czasu jak "łzy w deszczu".
