Guinguette Marais Poitevin

Der Astrophysiker Miguel Montargès hat eine klare Erinnerung an den Moment, in dem die Sterne für ihn zu echten Orten wurden. Er war 7 oder 8 Jahre alt und schaute vom Garten der elterlichen Wohnung in Südfrankreich nach oben. Ein riesiger, roter Stern blinzelte in der Nacht. Der junge Weltraumfan verband den Stern mit einer Karte, die er in einer Astronomiezeitschrift studiert hatte, und erkannte, dass er seinen Namen kannte: Betelgeuse.

Etwas veränderte sich für ihn. Dieser Stern war nicht länger ein anonymer Fleck, der in einem riesigen, unbekannten Meer schwebte. Er war ein Ziel, mit einem Namen.

„Ich dachte, wow, zum ersten Mal … kann ich einen Stern benennen“, sagt er. Die Erkenntnis war lebensverändernd.

Seitdem hat Montargès, jetzt am Pariser Observatorium, seine Doktorarbeit und etwa ein Dutzend Abhandlungen über Betelgeuse geschrieben. Er betrachtet den Stern als einen alten Freund und beobachtet ihn viele Male im Jahr, für die Arbeit und zum Spaß. Er verabschiedet sich jedes Jahr im Mai, wenn der Stern aus der Perspektive der Erde hinter die Sonne rutscht, und begrüßt ihn im August wieder, wenn er zurückkommt.

Als also Ende 2019 der helle Stern plötzlich ohne ersichtlichen Grund schwächer wurde, war Montargès ein wenig beunruhigt. Einige Leute spekulierten, dass Betelgeuse im Begriff war, in einer brillanten Supernova zu explodieren, die den Vollmond in den Schatten stellen würde. Astronomen wissen, dass der Stern alt ist und seine Tage gezählt sind, aber Montargès war nicht bereit, ihn gehen zu sehen.

„Es ist mein Lieblingsstern“, sagt er. „Ich will nicht, dass er stirbt.“

Andere Forscher hingegen waren begierig darauf, Betelgeuse in Echtzeit explodieren zu sehen. Supernovas markieren den gewaltsamen Tod von Sternen, die mindestens achtmal so massiv sind wie die Sonne (SN: 11/7/20, S. 20). Aber Astronomen wissen immer noch nicht, was ein Signal dafür wäre, dass einer im Begriff ist zu explodieren. Die Ausbrüche besprenkeln den interstellaren Raum mit Elementen, die letztlich den Großteil der Planeten und Menschen bilden – Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen (SN: 18.2.17, S. 24). Die Frage nach der Entstehung von Supernovae ist also eine Frage nach unserer eigenen Herkunft.

Aber die Explosionen sind selten – Astronomen schätzen, dass in unserer Galaxie nur wenige Male pro Jahrhundert eine auftritt. Die letzte in unserer Nähe, SN 1987A, wurde vor mehr als 33 Jahren in einer benachbarten Galaxie entdeckt (SN: 2/18/17, S. 20). Beteigeuze ist nur einer der vielen alternden, massereichen Sterne – Rote Überriesen genannt -, die jeden Moment zur Supernova werden können. Aber als einer der nächstgelegenen und hellsten ist Betelgeuse derjenige, den Weltraum-Enthusiasten am besten kennen.

Als der Stern Ende letzten Jahres anfing, sich seltsam zu verhalten, richteten Montargès und eine kleine Gruppe von Betelgeuse-Anhängern jedes Teleskop, das ihnen zur Verfügung stand, auf den dimmenden Riesen. In den folgenden Monaten kehrte der Stern zu seiner gewohnten Helligkeit zurück, und die Aufregung über eine bevorstehende Supernova verblasste. Aber die Flut von Daten, die in der Eile gesammelt wurden, um herauszufinden, was passiert war, könnte helfen, eine andere, seit langem bestehende Frage zu beantworten: Wie schicken massereiche, alte Sterne ihr planetenbildendes Sternenmaterial in den Kosmos, noch bevor sie explodieren?

Orions Schulter

Wenn Sie im Winter auf der Nordhalbkugel zu den Sternen hinaufgeschaut haben, haben Sie wahrscheinlich Betelgeuse gesehen, ob Sie es bemerkt haben oder nicht. Der Stern ist der zweithellste im Sternbild Orion und markiert aus unserer Perspektive die linke Schulter des Jägers.

Und er ist riesig. Die Schätzungen für Betelgeuses Lebensdaten variieren, aber wenn er im Zentrum unseres Sonnensystems sitzen würde, würde der Stern einen Großteil des Raums zwischen Sonne und Jupiter ausfüllen. Mit der 15- bis 20-fachen Masse der Sonne, dem 750- bis 1.000-fachen ihres Durchmessers und nur etwa 550 Lichtjahre von der Erde entfernt, ist Betelgeuse typischerweise der sechst- bis siebthellste Stern am Himmel.

Betelgeuses Helligkeit schwankt selbst unter normalen Umständen. Seine äußeren Schichten sind ein brodelnder Kessel aus heißem Gas und Plasma. Wenn heißes Material zur Oberfläche aufsteigt, wird der Stern heller; wenn Material zum Kern hin abfällt, wird der Stern dunkler. Dieser Konvektionszyklus stellt Betelgeuse auf einen halbregelmäßigen Dimmerschalter, der etwa alle 400 Tage schwankt. Auch die Helligkeit des Sterns variiert etwa alle sechs Jahre, obwohl die Astronomen nicht wissen, warum.

Was sie wissen, ist, dass Betelgeuse die Zeit davonläuft. Er ist weniger als 10 Millionen Jahre alt, ein Youngster im Vergleich zu der etwa 4,6 Milliarden Jahre alten Sonne. Aber weil Betelgeuse so massereich ist und seinen Brennstoff so schnell verbrennt, befindet er sich bereits in der letzten Lebensphase eines Roten Überriesen. Irgendwann in nicht allzu ferner Zukunft wird der Stern sein eigenes Gewicht nicht mehr tragen können – er wird in sich zusammenfallen und in einer Supernova explodieren.

„Wir wissen, dass er eines Tages sterben und explodieren wird“, sagt Emily Levesque, Astrophysikerin an der University of Washington in Seattle. Aber niemand weiß, wann. „In astronomischen Begriffen bedeutet ‚eines Tages‘ irgendwann in den nächsten 200.000 Jahren.“

Im Oktober 2019 begann Betelgeuse zu verdunkeln, was an und für sich nicht allzu seltsam war. Die Veränderung passte in den normalen 400-Tage-Zyklus, sagt der Astronom Edward Guinan von der Villanova University in Pennsylvania, der die Helligkeitszyklen von Betelgeuse seit den 1980er Jahren verfolgt.

Aber zu Weihnachten war Betelgeuse so dunkel wie seit mehr als 100 Jahren nicht mehr, seit Astronomen sie gemessen haben. Und die Verdunkelung setzte sich bis in den Februar hinein fort.

Guinan war einer der ersten, der Alarm schlug. Am 7. Dezember und erneut am 23. Dezember veröffentlichten er und seine Kollegen ein Bulletin auf der Website The Astronomer’s Telegram, in dem sie die „Ohnmacht“ des Sterns ankündigten und andere Astronomen aufforderten, einen Blick darauf zu werfen.

Es gab keinen Grund zu glauben, dass die Verdunkelung ein Vorbote einer Supernova war. „Ich habe nie gesagt, dass es eine sein wird“, sagt Guinan. Aber weil diese Explosionen so selten sind, wissen die Astronomen nicht, was die Signale einer bevorstehenden Supernova sind. Das Dimmen könnte eines davon sein.

Dieser Bericht über das seltsame Verhalten war alles, was Astronomen und Amateur-Raumfahrt-Enthusiasten zu hören brauchten. Online fing die Geschichte Feuer.

„Auf Twitter war es hysterisch“, sagt Andrea Dupree, eine Astrophysikerin am Harvard & Smithsonian’s Center for Astrophysics in Cambridge, Mass. Sie erinnert sich, dass sie einen Tweet mit dem Hashtag #HIDE gesehen hat, der auf die Explosion in dieser Nacht hinwies. „Wo soll ich mich denn verstecken? Unter meinem Schreibtisch?“ (Wenn Betelgeuse schließlich explodiert, wird es wahrscheinlich kein Leben auf der Erde verletzen – es ist in sicherer Entfernung.)

Die meisten Astronomen glaubten nicht wirklich, dass Betelgeuses Ende nahe war, selbst als sie sich beeilten, Teleskopzeit zu planen. Aber einige ließen sich von der Aufregung anstecken.

„Ich erwarte nicht, dass er explodiert“, erinnert sich Guinan. „Aber ich will nicht blinzeln.“ Er meldete sich für Telefonwarnungen von Teleskopen an, die unsichtbare Teilchen, sogenannte Neutrinos, und Wellen in der Raumzeit, Gravitationswellen, aufspüren. Die Entdeckung einer dieser Wellen könnte ein frühes Anzeichen für eine Supernova sein. Im Januar fand er sich um 1 Uhr nachts draußen wieder, nachdem ein Bericht über Gravitationswellen aus der Richtung des Orion kam. „Es war bewölkt, aber ich dachte, ich könnte eine Aufhellung sehen“, sagt er. „Ich wurde verrückt danach.“

Auch andere waren gläubig, bis ihre Daten Zweifel an der Vorstellung aufkommen ließen.

„Ich dachte, es könnte sein“, sagt der Astrophysiker Thavisha Dharmawardena vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Deutschland. „Wir wussten, dass es auch andere Erklärungen gibt, und wir müssen das vielleicht noch untersuchen. Aber wir wissen, dass Betelgeuse ein alter Stern ist, nahe am Ende seines Lebens. Es war aufregend.“

Zwei Lager

Als der Stern Mitte Februar zu seiner üblichen Helligkeit zurückkehrte, verblasste das Gerede über eine bevorstehende Supernova. Ein Artikel, der am 10. Oktober im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, stärkte das Vertrauen in die Langlebigkeit von Betelgeuse und deutete an, dass der Stern erst am Anfang seines Alters steht und noch mindestens 100.000 Jahre vor sich hat, bevor er explodiert. Aber was hatte er vor, wenn er nicht kurz vor der Explosion stand?

Als die Ergebnisse von Teleskopen auf der ganzen Welt und im Weltraum hereinfluteten, sind die meisten Astronomen in zwei Lager gefallen. Das eine sagt, dass die Verdunkelung von Betelgeuse durch eine Staubwolke verursacht wurde, die der Stern selbst ausspuckt und die sein Leuchten blockiert. Das andere Lager ist sich nicht sicher, was die Erklärung ist, sagt aber „nein“ zu der Staub-Spekulation.

Wenn sich die Staubtheorie bewahrheitet, könnte sie tiefgreifende Auswirkungen auf die Entstehung von komplexer Chemie, Planeten und sogar Leben im Universum haben. Rote Überriesen sind von diffusen Gas- und Staubwolken umgeben, die voll von Elementen sind, die nur in Sternen geschmiedet werden – und diese Wolken bilden sich, bevor der Stern explodiert. Noch bevor sie sterben, scheinen Überriesen Material an die nächste Generation von Sternen zu vererben.

„Der Kohlenstoff, der Sauerstoff in unserem Körper, er kommt von dort – von der Supernova und von den Wolken um sterbende Sterne“, sagt Montargès. Aber es ist nicht klar, wie diese Elemente den Sternen überhaupt entkommen. „Wir haben keine Ahnung“, sagt er.

Montargès hoffte, dass die Untersuchung von Betelgeuses Verdunkelung den Wissenschaftlern erlauben würde, diesen Prozess in Aktion zu sehen.

Im Dezember 2019 nahmen er und Kollegen ein Bild von Betelgeuse im sichtbaren Licht mit dem SPHERE-Instrument am Very Large Telescope in Chile auf. Dieses Bild zeigte, dass Betelgeuse in der Tat viel dunkler war als elf Monate zuvor – aber nur die untere Hälfte des Sterns. Vielleicht war eine asymmetrische Staubwolke daran schuld.

Beobachtungen vom 15. Februar 2020 scheinen diese Idee zu unterstützen (SN: 4/11/20, S. 6). Levesque und Philip Massey vom Lowell Observatory in Flagstaff, Arizona, verglichen die Februar-Beobachtungen mit ähnlichen aus dem Jahr 2004. Die Temperatur des Sterns war nicht so stark gesunken, wie man es erwarten würde, wenn die Verdunkelung von etwas herrühren würde, das dem Stern innewohnt, wie z.B. seine Konvektionszyklen, berichten die beiden in den Astrophysical Journal Letters vom 10. März.

Das ließ Staub als vernünftige Erklärung übrig. „Wir wissen, dass Betelgeuse Masse abwirft und Staub um sich herum produziert“, sagt Levesque. „Der Staub könnte auf uns zugekommen sein, sich abgekühlt haben und vorübergehend das Licht blockiert haben.“

Dunkle Wolke

Ein starkes Votum für Staub kam von Dupree, die Betelgeuse mit dem Hubble-Weltraumteleskop beobachtet hat. Wie Guinan hat sie eine jahrzehntelange Beziehung zu Betelgeuse. Im Jahr 1996 betrachteten sie und ihr Kollege Ronald Gilliland Betelgeuse mit Hubble, um das erste echte Bild eines anderen Sterns als der Sonne zu machen. Die meisten Sterne sind zu weit entfernt und zu lichtschwach, um als etwas anderes als ein Punkt zu erscheinen. Betelgeuse ist einer der wenigen Sterne, dessen Oberfläche als zweidimensionale Scheibe zu sehen ist – ein echter Ort.

Bis Ende 2019 beobachtete Dupree Betelgeuse mit Hubble mehrmals im Jahr. Sie hatte ein internationales Team von Forschern zusammengestellt, das sie MOB (für Months of Betelgeuse) nennt, um den Stern regelmäßig in verschiedenen Wellenlängen des Lichts zu beobachten.

Das Ziel war das gleiche wie bei Montargès: grundlegende Fragen darüber zu beantworten, wie Betelgeuse und vielleicht auch andere Rote Überriesen Material verlieren. Das MOB verfügte über Basisbeobachtungen aus der Zeit vor der Verdunkelung und hatte bereits Hubble-Zeit eingeplant, um die Helligkeitszyklen des Sterns zu verfolgen.

Diese Beobachtungen zeigten, dass Betelgeuse im Januar und März 2019 „vollkommen normal“ aussah, sagt Dupree. Aber von September bis November, kurz vor dem Dimming-Ereignis, gab der Stern mehr ultraviolettes Licht ab – bis zum Vier- oder Fünffachen seiner üblichen UV-Helligkeit – über seiner südlichen Hemisphäre.

Die Temperatur und Elektronendichte in dieser Region stieg ebenfalls an. Die Theorie von Dupree und Kollegen, die im Astrophysical Journal vom 10. August veröffentlicht wurde, besagt, dass eine der riesigen Blasen aus heißem Plasma, die in den äußeren Schichten des Sterns immer wieder aufgewühlt werden, an den Rand der Sternatmosphäre aufstieg und entkam, wodurch große Mengen an Material in den interstellaren Raum strömten. Das könnte eine Möglichkeit sein, wie Rote Überriesen Material abwerfen, bevor sie explodieren.

Nachdem es aus dem Stern entwichen war, kühlte das heiße Material ab, kondensierte zu Staub und schwebte für mehrere Monate vor Betelgeuse. Als sich der Staub auflöste, erschien Betelgeuse wieder heller.

„Es scheint uns, dass das, was wir mit dem Ultraviolett gesehen haben, so etwas wie der rauchende Colt ist“, sagt Dupree. „Dieses Material bewegte sich nach draußen, kondensierte und bildete diese dunkle, dunkle Staubwolke.“

Paul Hertz, Direktor der Astrophysik-Abteilung der NASA, teilte die Hubble-Ergebnisse in einer Online-Rathaussitzung der NASA am 10. September mit, als wären sie die endgültige Antwort. „Mysterium gelöst“, sagte er. „Not gonna supernova anytime soon.“

Zyklen und Flecken

Vielleicht nicht – aber das bedeutet nicht, dass Staub die Verdunkelung erklärt.

In den Astrophysical Journal Letters vom 1. Juli veröffentlichten Dharmawardena und Kollegen Beobachtungen von Betelgeuse, die der Staub-Erklärung entgegenlaufen. Ihr Team nutzte das James Clerk Maxwell Teleskop auf Hawaii im Januar, Februar und März, um Betelgeuse in Submillimeter-Wellenlängen des Lichts zu beobachten. „Wenn wir glauben, dass es sich um eine Staubwolke handelt, ist das Submillimeter die perfekte Wellenlänge, um sie zu betrachten“, sagt sie.

Der Staub hätte Betelgeuse in diesen Wellenlängen heller erscheinen lassen müssen, da schwebende Körner das Sternenlicht absorbieren und reemittieren. Aber das tat es nicht. Wenn überhaupt, dimmte der Stern leicht ab. „Unser erster Gedanke war, dass wir etwas falsch gemacht hatten – jeder in der Gemeinschaft erwartete, dass es sich um Staub handelt“, sagt sie. Aber „die Tatsache, dass es nicht zunahm oder im Submillimeterbereich konstant blieb, war ein eindeutiges Indiz dafür, dass es sich nicht um Staub handelt.“

Infrarotbeobachtungen mit dem luftgestützten SOFIA-Teleskop hätten die leuchtende Signatur des Staubs ebenfalls finden müssen, wenn es sie gegeben hätte. „Sie ist nie aufgetaucht“, sagt Guinan. „Ich glaube nicht, dass es Staub ist.“

Stattdessen glaubt Guinan, dass die Verdunkelung Teil des natürlichen Konvektionszyklus von Betelgeuse gewesen sein könnte. Die äußere Atmosphäre des Sterns pulsiert ständig und „atmet“ ein und aus, während riesige Blasen aus heißem Plasma zur Oberfläche aufsteigen und wieder absinken. „Das wird durch den inneren Kern des Sterns angetrieben“, sagt er. „Man hat heiße Blasen, die nach oben steigen, sie kühlen ab, werden dichter und fallen wieder zurück.“

Das Aufeinandertreffen mehrerer Zyklen könnte erklären, warum die Verdunkelung 2019 so extrem war. Guinan und Kollegen analysierten etwa 180 Jahre an Beobachtungen von Betelgeuse, die bis zu John Herschels Entdeckung von 1839 zurückreichen, dass die Helligkeit des Sterns variiert. Guinans Gruppe fand heraus, dass Betelgeuse zusätzlich zu den etwa sechsjährigen und 400-tägigen Zyklen noch einen dritten, kleineren Zyklus von etwa 187 Tagen haben könnte. Es sieht so aus, als ob alle drei Zyklen ihren Helligkeits-Tiefpunkt Ende 2019 zur gleichen Zeit erreicht haben könnten, sagt Guinan.

Oder vielleicht war die Dunkelheit in der südlichen Hemisphäre, die Montargès‘ Team mit SPHERE gesehen hat, ein riesiger Sternenfleck, bietet Dharmawardena an. Im Fall der Sonne markieren diese dunklen Flecken, Sonnenflecken genannt, die Orte magnetischer Aktivität auf der Oberfläche. Betelgeuse ist einer der wenigen Sterne, auf denen man Sternflecken direkt gesehen hat.

Aber um Betelgeuses Verdunkelung zu verursachen, müsste ein Sternfleck riesig sein. Typische Sternflecken bedecken etwa 20 bis 30 Prozent der Oberfläche eines Sterns, sagt Dharmawardena. Dieser müsste mindestens die Hälfte abdecken, vielleicht sogar bis zu 70 Prozent.

„Das ist selten“, räumt Dharmawardena ein. „Aber diese Art der Verdunkelung ist es auch.“

Pandemische Störungen

Analysen kommen noch rein. Aber gerade als Betelgeuse zu seiner normalen Helligkeit zurückkehrte, schlug die COVID-19-Pandemie zu.

„Wir hatten gehofft, viel mehr Daten zu haben“, sagt Dharmawardena.

Ein paar Beobachtungen kamen gerade noch rechtzeitig herein. Die SOFIA-Beobachtungen wurden auf einem der letzten Flüge gemacht, bevor die Pandemie das Flugzeug, das das Teleskop trägt, zum Stillstand brachte. Und Montargès warf einen weiteren Blick mit SPHERE, nur wenige Tage bevor das Observatorium Mitte März abgeschaltet wurde.

Aber eines der am meisten erhofften Ergebnisse von Montargès wird vielleicht nie kommen. Um das Rätsel um Staub und Nicht-Staub zu lösen, wollte er zwei Arten von Beobachtungen kombinieren: ein 2-D-Bild der gesamten Sternscheibe, wie es Dupree in den 90er Jahren mit Hubble gemacht hat, aber in längeren Wellenlängen wie Infrarot oder Submillimeter, wie Dharmawardenas Bilder von Anfang 2020. Auf diese Weise könnte man den Staub vom Stern unterscheiden, so seine Überlegung.

Nur ein Observatorium kann beides auf einmal: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, oder ALMA, in Chile. Montargès hatte geplant, Betelgeuse mit ALMA im Juni und Juli zu beobachten, wenn der Winterhimmel auf der Südhalbkugel am turbulenzfreiesten ist. Aber ALMA schloss im März und war auch im September noch geschlossen.

„Als mir klar wurde, dass ALMA die Zeit im Juni nicht bekommen wird, dachte ich … wir werden es nie schaffen“, sagt er. „Wir werden vielleicht nie ganz sicher sein, wegen COVID.“

Ein anderer Stern

Montargès und seine Kollegen haben ihre Analyse der SPHERE-Bilder vom März zur Veröffentlichung eingereicht. Obwohl er noch nicht bereit ist, die Ergebnisse zu teilen, glaubt er, dass sie die beiden Lager zusammenbringen könnten.

Wenn Beteigeuze im letzten Jahr tatsächlich eine Staubwolke ausspuckte, könnte uns das etwas über die Ursprünge des Lebens im Universum lehren, sagt Montargès. Wenn das Staub-Lager auch nur teilweise Recht hat, könnte Betelgeuses Verdunkelung das erste Mal gewesen sein, dass die Menschen beobachtet haben, wie die Samen des Lebens in den Kosmos gestartet wurden.

In der Zwischenzeit ist er erleichtert, seinen Lieblingsstern wieder hell leuchten zu sehen. Ich muss zugeben, dass ich seit Dezember, seit diese ganze Sache angefangen hat, jedes Mal, wenn ich ihn sehe, denke: „Puh, er ist immer noch da“, sagt er.

Die Leute fragen ihn immer wieder, ob er möchte, dass Betelgeuse zur Supernova wird, damit er ihn studieren kann. „Ich möchte, dass ein anderer Stern zur Supernova wird“, sagt er. „Antares ist mir egal; er kann jederzeit explodieren. Aber nicht Betelgeuse.“