Astrofysicus Miguel Montargès heeft een duidelijke herinnering aan het moment dat de sterren echt iets voor hem werden. Hij was 7 of 8 jaar oud en keek omhoog vanuit de tuin van het appartement van zijn ouders in het zuiden van Frankrijk. Een grote, rode ster knipoogde in de nacht. De jonge ruimtefan verbond de ster met een kaart die hij in een astronomisch tijdschrift had bestudeerd en besefte dat hij de naam kende: Betelgeuse.
Er veranderde iets voor hem. Die ster was niet langer een anoniem stipje in een uitgestrekte, onbekende zee. Het was een bestemming, met een naam.
“Ik dacht, wow, voor het eerst… kan ik een ster een naam geven,” zegt hij. Sindsdien heeft Montargès, nu verbonden aan het Observatorium van Parijs, zijn proefschrift en een dozijn artikelen over Betelgeuse geschreven. Hij beschouwt de ster als een oude vriend, die hij vele malen per jaar observeert, voor zijn werk en voor zijn plezier. Hij neemt in mei afscheid als de ster vanuit het perspectief van de aarde achter de zon verdwijnt, en zegt in augustus weer gedag als de ster terugkomt.
Sign Up For the Latest from Science News
Headlines en samenvattingen van de laatste Science News-artikelen, afgeleverd in je inbox
Dus eind 2019, toen de heldere ster plotseling zonder duidelijke reden dimde, was Montargès een beetje gealarmeerd. Sommigen speculeerden dat Betelgeuse op het punt stond te exploderen in een briljante supernova die de volle maan zou overschaduwen. Astronomen weten dat de ster oud is en dat zijn dagen geteld zijn, maar Montargès was er nog niet klaar voor om hem te zien gaan.
“Het is mijn favoriete ster,” zegt hij. “Ik wil niet dat hij sterft.”
Andere onderzoekers stonden echter te popelen om Betelgeuse in real time te zien exploderen. Supernova’s markeren de gewelddadige dood van sterren die minstens acht keer zo zwaar zijn als de zon (SN: 11/7/20, p. 20). Maar astronomen weten nog steeds niet wat het signaal is dat er een op het punt staat te ontploffen. De uitbarstingen bestrooien de interstellaire ruimte met elementen die uiteindelijk het grootste deel van planeten en mensen vormen – koolstof, zuurstof, ijzer (SN: 2/18/17, p. 24). De vraag hoe supernova’s ontstaan is dus een vraag naar onze eigen oorsprong.
Maar de explosies zijn zeldzaam – astronomen schatten dat er in ons melkwegstelsel slechts een paar keer per eeuw een voorkomt. De laatste die in de buurt is waargenomen, SN 1987A, was meer dan 33 jaar geleden in een naburig sterrenstelsel (SN: 2/18/17, p. 20). Betelgeuse is slechts een van de vele ouder wordende, massieve sterren – rode superreuzen genoemd – die elk moment supernova kunnen worden. Maar als een van de dichtstbijzijnde en helderste is Betelgeuse degene die ruimtevaartliefhebbers het beste kennen.
Dus toen de ster eind vorig jaar vreemd begon te doen, richtten Montargès en een kleine groep Betelgeuse diehards elke telescoop die ze konden op de dimmende reus. In de daaropvolgende maanden keerde de ster terug naar zijn gebruikelijke helderheid, en de opwinding over een op handen zijnde supernova vervaagde. Maar de stortvloed aan gegevens die werd verzameld in de haast om erachter te komen wat er aan de hand was, kan helpen een andere, al lang bestaande vraag te beantwoorden: Hoe sturen zware, oude sterren hun planeetvormende sterspul de kosmos in, zelfs voordat ze exploderen?
Orions schouder
Als je in de winter op het noordelijk halfrond naar de sterren hebt gekeken, heb je waarschijnlijk Betelgeuse gezien, of je je dat nu realiseert of niet. De ster is de op één na helderste in het sterrenbeeld Orion, en markeert de linkerschouder van de jager vanuit ons perspectief.
En hij is enorm. De schattingen voor de levensstatistieken van Betelgeuse lopen uiteen, maar als hij in het centrum van ons zonnestelsel zou staan, zou de ster een groot deel van de ruimte tussen de zon en Jupiter vullen. Met een massa die 15 tot 20 maal zo groot is als die van de zon, een diameter die 750 tot 1000 maal zo groot is en een afstand van 550 lichtjaar van de aarde, is Betelgeuse de zesde tot de zevende helderste ster aan de hemel.
De helderheid van Betelgeuse varieert, zelfs onder normale omstandigheden. Zijn buitenste lagen zijn een borrelende ketel van heet gas en plasma. Als heet materiaal naar het oppervlak stijgt, wordt de ster helderder; als materiaal naar de kern zakt, wordt de ster zwakker. Door die convectiecyclus staat Betelgeuse op een halfjaarlijkse dimschakelaar die ongeveer elke 400 dagen schommelt. De helderheid van de ster varieert ook ongeveer elke zes jaar, hoewel astronomen niet weten waarom.
Wat ze wel weten is dat Betelgeuse bijna geen tijd meer heeft. Hij is nog geen 10 miljoen jaar oud, een jonkie vergeleken met de zon die ruwweg 4,6 miljard jaar oud is. Maar omdat Betelgeuse zo massief is en zo snel door zijn brandstof heen gaat, bevindt hij zich al in de laatste levensfase van een rode superreus. Op een dag in de niet al te verre toekomst zal de ster zijn eigen gewicht niet meer kunnen dragen – hij zal in zichzelf storten en in een supernova terugkaatsen.
“We weten dat hij op een dag zal sterven en exploderen,” zegt Emily Levesque, een astrofysicus aan de Universiteit van Washington in Seattle. Maar niemand weet wanneer. “In astronomische termen betekent ‘op een dag’ ergens in de komende 200.000 jaar.”
In oktober 2019 begon Betelgeuse te dimmen, wat op zich niet zo vreemd was. De verandering paste binnen de normale cyclus van 400 dagen, zegt astronoom Edward Guinan van de Villanova University in Pennsylvania, die de helderheidscycli van Betelgeuse al sinds de jaren tachtig volgt.
Maar tegen Kerstmis was Betelgeuse het zwakst in de meer dan 100 jaar dat astronomen hem hebben gemeten. En het dimmen ging door tot in februari.
Guinan was een van de eersten die alarm sloeg. Op 7 december, en nogmaals op 23 december, plaatsten hij en zijn collega’s een bulletin op de website The Astronomer’s Telegram waarin ze het “flauwvallen” van de ster aankondigden en collega-astronomen aanmoedigden om een kijkje te nemen.
Er was geen reden om te denken dat het dimmen een voorbode was van een supernova. “Ik heb nooit gezegd dat het er een zou zijn”, zegt Guinan. Maar omdat deze explosies zo zeldzaam zijn, weten astronomen niet wat de signalen van een op handen zijnde supernova zijn. Dimmen zou er een van kunnen zijn.
Dit bericht over vreemd gedrag was alles wat astronomen en amateur-ruimtevaarders moesten horen.
“Op Twitter was het hysterisch,” zegt Andrea Dupree, astrofysicus bij het Harvard & Smithsonian’s Center for Astrophysics in Cambridge, Mass. Ze herinnert zich dat ze een tweet zag die suggereerde dat de explosie die nacht zou plaatsvinden, met de hashtag #HIDE. “Waar ga ik me verstoppen? Onder mijn bureau?” (Als Betelgeuse uiteindelijk explodeert, zal dat het leven op aarde waarschijnlijk niet schaden – het staat op veilige afstand.)
De meeste astronomen geloofden niet echt dat het einde van Betelgeuse nabij was, zelfs niet toen ze zich haastten om telescooptijd in te plannen. Maar sommigen werden meegesleept in de opwinding.
“Ik verwacht niet dat hij ontploft,” herinnert Guinan zich terwijl hij dacht. “Maar ik wil niet met mijn ogen knipperen.” Hij heeft zich aangemeld voor telefoonwaarschuwingen van telescopen die onzichtbare deeltjes, neutrino’s genaamd, en rimpelingen in de ruimtetijd, gravitatiegolven genaamd, detecteren. Een waarneming van een van beide kan een vroeg teken van een supernova zijn. In januari stond hij om 1 uur ’s nachts buiten na een melding van gravitatiegolven uit de richting van Orion. “Het was bewolkt, maar ik dacht dat ik misschien een opheldering zou zien,” zegt hij. “Ik ben er gek van geworden.”
Anderen waren ook gelovig, totdat hun gegevens twijfel zaaiden over het begrip.
“Ik dacht dat het zou kunnen,” zegt astrofysicus Thavisha Dharmawardena van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg, Duitsland. “We wisten dat er andere verklaringen waren, en we zouden er misschien naar moeten kijken. Maar we weten dat Betelgeuse een oude ster is, dicht bij het einde van zijn leven. Het was spannend.”
Twee kampen
Toen de ster half februari weer zijn gebruikelijke helderheid begon te bereiken, vervaagde het gepraat over een op handen zijnde supernova. Een artikel dat op 10 oktober in Astrophysical Journal werd gepubliceerd, versterkte het vertrouwen in de levensduur van Betelgeuse, door te suggereren dat de ster nog maar aan het begin van zijn oude dag staat en nog minstens 100.000 jaar te gaan heeft voordat hij explodeert. Maar wat was hij dan van plan, als hij niet op het punt stond te exploderen?
Terwijl de resultaten van telescopen over de hele wereld en in de ruimte binnenstroomden, vielen de meeste astronomen in twee kampen uiteen. Het ene kamp zegt dat het dimmen van Betelgeuse werd veroorzaakt door een stofwolk die door de ster zelf werd uitgehoest, waardoor zijn gloed werd geblokkeerd. Het andere kamp weet niet zeker wat de verklaring is, maar zegt “nee” tegen de stofspeculatie.
Als de stoftheorie waar blijkt te zijn, kan dat ingrijpende gevolgen hebben voor de oorsprong van complexe chemie, planeten en zelfs leven in het heelal. Rode superreuzen worden omgeven door diffuse wolken van gas en stof die vol zitten met elementen die alleen in sterren worden gesmeed – en deze wolken ontstaan voordat de ster explodeert. Zelfs voordat ze sterven, lijken superreuzen materiaal na te laten aan de volgende generatie sterren.
“De koolstof en zuurstof in ons lichaam komen daar vandaan – uit de supernova en uit de wolken rond stervende sterren,” zegt Montargès. Maar het is niet duidelijk hoe die elementen überhaupt aan de sterren kunnen ontsnappen. “We hebben geen idee,” zegt hij.
Montargès hoopte dat het bestuderen van het dimmen van Betelgeuse wetenschappers in staat zou stellen dat proces in actie te zien.
In december 2019 maakten hij en collega’s een beeld van Betelgeuse in zichtbaar licht met het SPHERE-instrument op de Very Large Telescope in Chili. Dat beeld liet zien dat Betelgeuse inderdaad veel zwakker was dan elf maanden eerder – maar alleen de onderste helft van de ster. Misschien was een asymmetrische stofwolk de schuldige.
Observaties van 15 februari 2020 lijken dat idee te ondersteunen (SN: 4/11/20, p. 6). Levesque en Philip Massey van het Lowell Observatory in Flagstaff, Ariz. vergeleken de waarnemingen van februari met soortgelijke uit 2004. De temperatuur van de ster was niet zoveel gedaald als verwacht zou worden als het dimmen het gevolg zou zijn van iets intrinsieks aan de ster, zoals zijn convectiecycli, meldde het tweetal in het Astrophysical Journal Letters van 10 maart.
Dat liet stof over als een redelijke verklaring. “We weten dat Betelgeuse massa verliest en stof om zich heen produceert,” zegt Levesque. “Stof kan op ons af zijn gekomen, is afgekoeld en heeft het licht tijdelijk geblokkeerd.”
Donkere wolk
Een sterke stem voor stof kwam van Dupree, die Betelgeuse met de Hubble-ruimtetelescoop in de gaten hield. Net als Guinan heeft zij al tientallen jaren een relatie met Betelgeuse. In 1996 keken zij en collega Ronald Gilliland naar Betelgeuse met de Hubble-telescoop om de eerste echte foto te maken van een andere ster dan de zon. De meeste sterren staan te ver weg en zijn te zwak om als iets anders dan een punt zichtbaar te zijn. Betelgeuse is een van de weinige sterren waarvan het oppervlak te zien is als een tweedimensionale schijf – een echte plek.
Tegen het einde van 2019 observeerde Dupree Betelgeuse meerdere keren per jaar met de Hubble. Ze had een internationaal team van onderzoekers samengesteld dat ze de MOB noemt, voor Maanden van Betelgeuse, om de ster frequent te observeren in een verscheidenheid aan golflengten van licht.
Het doel was hetzelfde als dat van Montargès: fundamentele vragen beantwoorden over hoe Betelgeuse, en misschien andere rode superreuzen, materiaal verliezen. Het MOB beschikte over basiswaarnemingen van vóór het dimmen en had al Hubble-tijd ingepland om de helderheidscycli van de ster te volgen.
Uit die waarnemingen bleek dat Betelgeuse er in januari en maart 2019 “volkomen normaal” uitzag, aldus Dupree. Maar van september tot november, vlak voor de verduisteringsgebeurtenis, gaf de ster meer ultraviolet licht – tot vier of vijf keer zijn gebruikelijke UV-helderheid – boven zijn zuidelijke halfrond.
De temperatuur en elektronendichtheid in die regio gingen ook omhoog. En materiaal leek naar buiten te bewegen, weg van de ster en in de richting van de aarde.
De theorie van Dupree en collega’s over wat er gebeurde, waarover zij rapporteren in Astrophysical Journal van 10 augustus, is dat een van de reusachtige bellen van heet plasma die altijd in de buitenlagen van de ster ronddwarrelen, naar de rand van de atmosfeer van de ster steeg en ontsnapte, waardoor enorme hoeveelheden materiaal de interstellaire ruimte in stroomden. Dat zou een van de manieren kunnen zijn waarop rode superreuzen materiaal afwerpen voordat ze exploderen.
Toen het eenmaal de ster ontvlucht was, koelde dat hete spul af, condenseerde tot stof en zweefde enkele maanden voor Betelgeuse langs. Toen het stof oploste, werd Betelgeuse weer helderder.
“Het lijkt ons dat wat we met het ultraviolet zagen een soort rokend pistool is,” zegt Dupree. “
Paul Hertz, directeur van NASA’s astrofysica divisie, deelde de Hubble resultaten in een NASA online stadhuis bijeenkomst op 10 september alsof het het definitieve antwoord was. “Mysterie opgelost,” zei hij. “
Cycles and spots
Misschien niet – maar dat betekent niet dat stof de verduistering verklaart.
In de Astrophysical Journal Letters van 1 juli publiceerden Dharmawardena en collega’s waarnemingen van Betelgeuse die haaks staan op de stofverklaring. Haar team gebruikte de James Clerk Maxwell Telescope op Hawaii in januari, februari en maart om Betelgeuse te bekijken in submillimeter golflengten van licht. “
Als we denken dat het een stofwolk is, is de submillimeter de perfecte golflengte om naar te kijken,” zegt ze.
Dust zou Betelgeuse helderder moeten doen lijken in die golflengten, omdat zwevende korrels sterlicht absorberen en weer uitstralen. Maar dat gebeurde niet. De ster werd zelfs iets zwakker. “Onze eerste gedachte was dat we iets verkeerd hadden gedaan – iedereen in de gemeenschap verwachtte dat het stof was,” zegt ze. Maar “het feit dat het niet toenam of constant bleef in de submillimeter was zo’n beetje een dode giveaway dat het geen stof is.”
Infraroodwaarnemingen met de SOFIA-telescoop in de lucht hadden ook de gloeiende signatuur van stof moeten vinden, als het bestond. “Het is nooit te zien geweest,” zegt Guinan. “Ik denk niet dat het stof is.”
In plaats daarvan denkt Guinan dat het dimmen onderdeel kan zijn geweest van de natuurlijke convectiecyclus van Betelgeuse. De buitenste atmosfeer van de ster pulseert voortdurend en “ademt” in en uit terwijl enorme bellen heet plasma naar het oppervlak stijgen en weer naar beneden zakken. “Het wordt aangedreven door de interne kern van de ster,” zegt hij. “Je hebt hete klodders die opstijgen, afkoelen, een grotere dichtheid krijgen en weer terugvallen.”
Meerdere cycli die synchroon lopen, zouden kunnen verklaren waarom het dimmen van 2019 zo extreem was. Guinan en collega’s analyseerden ongeveer 180 jaar aan waarnemingen van Betelgeuse, die teruggaan tot de ontdekking van astronoom John Herschel in 1839 dat de helderheid van de ster varieert. De groep van Guinan ontdekte dat Betelgeuse, naast de ruwweg zesjarige en 400-daagse cycli, nog een derde, kleinere cyclus van ongeveer 187 dagen zou kunnen hebben. Het lijkt erop dat alle drie de cycli eind 2019 op hetzelfde moment hun dieptepunt in helderheid hebben bereikt, zegt Guinan.
Of misschien was de duisternis op het zuidelijk halfrond die het team van Montargès met SPHERE zag een enorme stervlek, biedt Dharmawardena aan. In het geval van de zon markeren deze donkere vlekken, zonnevlekken genoemd, de plaatsen van magnetische activiteit op het oppervlak. Betelgeuse is een van de weinige sterren waarbij stervlekken direct zijn waargenomen.
Maar om de verduistering van Betelgeuse te veroorzaken, zou een stervlek enorm moeten zijn. Normaal gesproken beslaan stervlekken zo’n 20 tot 30 procent van het oppervlak van een ster, zegt Dharmawardena. Deze zou minstens de helft moeten beslaan, misschien wel 70%.
“Dat is zeldzaam,” geeft Dharmawardena toe. “
Pandemische verstoringen
De analyses komen nog binnen. Maar net toen Betelgeuse zijn normale helderheid terugkreeg, sloeg de COVID-19 pandemie toe.
“We hadden gehoopt veel meer gegevens te hebben,” zegt Dharmawardena.
Een paar waarnemingen kwamen net op tijd binnen. De SOFIA-waarnemingen zijn gedaan tijdens een van de laatste vluchten voordat de pandemie het vliegtuig met de telescoop aan de grond hield. En Montargès nam nog een kijkje met SPHERE, enkele dagen voordat het observatorium half maart werd gesloten.
Maar een van Montargès’ meest gehoopte resultaten zal er misschien nooit komen. Om het mysterie van stof versus niet-stof op te lossen, wilde hij twee soorten waarnemingen combineren: een 2D-foto maken van de hele ster, zoals Dupree in de jaren 90 deed met de Hubble-telescoop, maar dan op langere golflengten, zoals infrarood of submillimeter, zoals de beelden van Dharmawardena uit begin 2020. Op die manier kun je het stof van de ster onderscheiden, zo redeneerde hij.
Een enkel observatorium kan beide tegelijk: de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, of ALMA, in Chili. Montargès was van plan te vragen of hij Betelgeuse met ALMA kon waarnemen in juni en juli, wanneer de winterhemel op het zuidelijk halfrond het meest vrij is van turbulentie. Maar ALMA sloot in maart en was in september nog steeds gesloten.
“Toen ik me realiseerde dat ALMA in juni geen tijd zal krijgen, dacht ik… we gaan het nooit oplossen,” zegt hij. “
Een andere ster
Montargès en zijn collega’s hebben hun analyse van de SPHERE-foto’s van maart ingediend voor publicatie. Hoewel hij de resultaten nog niet wil delen, denkt hij dat ze de twee kampen dichter bij elkaar zouden kunnen brengen.
Als Betelgeuse vorig jaar inderdaad een stofwolk heeft uitgehoest, zou dat ons uiteindelijk iets kunnen leren over de oorsprong van het leven in het heelal, aldus Montargès. Als het stofkamp zelfs maar gedeeltelijk gelijk heeft, kan het dimmen van Betelgeuse de eerste keer zijn geweest dat de mens heeft gezien hoe de zaden van het leven in de kosmos werden gelanceerd.
In de tussentijd is hij opgelucht zijn favoriete ster weer helder te zien schijnen. “
Ik moet toegeven dat sinds december, sinds dit hele gedoe is begonnen, elke keer als ik hem zie, ik zoiets heb van: pfoe, hij is er nog,” zegt hij.
Mensen blijven hem vragen of hij zou willen dat Betelgeuse supernova gaat zodat hij hem kan bestuderen. “Ik zou graag willen dat een andere ster supernova werd,’ zegt hij. “Antares kan me niet schelen, die kan elk moment ontploffen. Maar Betelgeuse niet.”