Astrofizyk Miguel Montargès wyraźnie pamięta moment, w którym gwiazdy stały się dla niego prawdziwymi miejscami. Miał 7 lub 8 lat, patrzył w górę z ogrodu mieszkania swoich rodziców na południu Francji. W nocy mrugała ogromna, czerwona gwiazda. Młody fan kosmosu połączył gwiazdę z mapą, którą studiował w czasopiśmie astronomicznym, i zdał sobie sprawę, że zna jej nazwę: Betelgeuse.
Coś się dla niego zmieniło. Ta gwiazda nie była już anonimową plamką unoszącą się na rozległym, niezbadanym morzu. To był cel podróży, z nazwą.
„Pomyślałem, wow, po raz pierwszy… mogę nazwać gwiazdę”, mówi. Od tego czasu Montargès, obecnie pracujący w Obserwatorium Paryskim, napisał pracę doktorską i kilkanaście artykułów na temat Betelgezy. Uważa gwiazdę za starego przyjaciela, obserwuje ją wiele razy w roku, dla pracy i dla zabawy. Żegna się z nią w maju każdego roku, gdy z perspektywy Ziemi gwiazda chowa się za Słońcem, i wita się ponownie w sierpniu, gdy gwiazda powraca.
Sign Up For the Latest from Science News
Nagłówki i streszczenia najnowszych artykułów Science News, dostarczone do Twojej skrzynki odbiorczej
Więc pod koniec 2019 roku, kiedy jasna gwiazda nagle przygasła bez wyraźnego powodu, Montargès był nieco zaniepokojony. Niektórzy spekulowali, że Betelgeuse miała wkrótce eksplodować w genialnej supernowej, która przyćmiłaby Księżyc w pełni. Astronomowie wiedzą, że gwiazda jest stara i jej dni są policzone, ale Montargès nie był gotowy na jej odejście.
„To moja ulubiona gwiazda,” mówi. „Nie chcę, żeby umarła.”
Inni naukowcy z chęcią obserwowali eksplozję Betelgezy w czasie rzeczywistym. Supernowe oznaczają gwałtowną śmierć gwiazd, które są co najmniej osiem razy masywniejsze od Słońca (SN: 11/7/20, str. 20). Jednak astronomowie wciąż nie wiedzą, co mogłoby sygnalizować, że jedna z gwiazd jest bliska wybuchu. Wybuchy zraszają przestrzeń międzygwiezdną pierwiastkami, które ostatecznie tworzą większość planet i ludzi – węgiel, tlen, żelazo (SN: 2/18/17, s. 24). Pytanie o to, jak dochodzi do supernowych, jest więc pytaniem o nasze własne pochodzenie.
Ale wybuchy są rzadkie – astronomowie szacują, że jeden występuje w naszej galaktyce zaledwie kilka razy na stulecie. Ostatni zauważony w pobliżu, SN 1987A, miał miejsce ponad 33 lata temu w sąsiedniej galaktyce (SN: 2/18/17, s. 20). Betelgeuse jest tylko jedną z wielu starzejących się, masywnych gwiazd – zwanych czerwonymi supergigantami – które w każdej chwili mogą przejść supernową. Ale jako jedna z najbliższych i najjaśniejszych, Betelgeuse jest tą, którą entuzjaści kosmosu znają najlepiej.
Więc kiedy gwiazda zaczęła zachowywać się dziwnie pod koniec zeszłego roku, Montargès i mały zespół diehardów Betelgeuse wycelowali każdy teleskop, jaki mogli na ściemniającego olbrzyma. W ciągu kolejnych miesięcy gwiazda powróciła do swojej zwykłej jasności, a podniecenie związane z rychłą supernową wygasło. Jednak ogromna ilość danych zebranych w pośpiechu, by dowiedzieć się, co się dzieje, może pomóc odpowiedzieć na inne, od dawna nurtujące pytanie: W jaki sposób masywne, stare gwiazdy wysyłają swoje budujące planety gwiezdne materie w kosmos, nawet zanim eksplodują?
Barko Oriona
Jeśli spojrzałeś w gwiazdy podczas zimy na półkuli północnej, prawdopodobnie widziałeś Betelgeuse, czy zdajesz sobie z tego sprawę czy nie. Gwiazda ta jest drugą najjaśniejszą w gwiazdozbiorze Oriona, wyznaczając lewe ramię myśliwego z naszej perspektywy.
I jest ogromna. Szacunki dotyczące statystyk życiowych Betelgezy są różne, ale gdyby siedziała w centrum naszego Układu Słonecznego, gwiazda wypełniłaby znaczną część przestrzeni między Słońcem a Jowiszem. Przy około 15 do 20 razy większej masie niż Słońce, 750 do 1000 razy większej średnicy i 550 lat świetlnych od Ziemi, Betelgeza jest zazwyczaj szóstą do siódmej najjaśniejszą gwiazdą na niebie.
Jasność Betelgezy zmienia się, nawet w normalnych okolicznościach. Jej zewnętrzne warstwy to bulgoczący kocioł gorącego gazu i plazmy. Gdy gorący materiał unosi się ku powierzchni, gwiazda jaśnieje; gdy materiał opada w kierunku jądra, gwiazda słabnie. Ten cykl konwekcji sprawia, że Betelgeza jest na półkolistym przełączniku, który zmienia się mniej więcej co 400 dni. Jasność gwiazdy zmienia się również co sześć lat, choć astronomowie nie wiedzą dlaczego.
Wiedzą natomiast, że Betelgezie kończy się czas. Ma mniej niż 10 milionów lat i w porównaniu z liczącym 4,6 miliarda lat Słońcem jest młodzieniaszkiem. Ale ponieważ Betelgeuse jest tak masywna i tak szybko spala swoje paliwo, jest już w końcowej fazie życia czerwonego supergiganta. Pewnego dnia, w niezbyt odległej przyszłości, gwiazda nie będzie w stanie utrzymać własnego ciężaru – zapadnie się w sobie i odbije w supernowej.
„Wiemy, że pewnego dnia umrze i wybuchnie” – mówi Emily Levesque, astrofizyk z Uniwersytetu Waszyngtona w Seattle. Ale nikt nie wie kiedy. „W terminologii astronomicznej 'pewnego dnia' oznacza coś w ciągu najbliższych 200 000 lat.”
W październiku 2019 roku Betelgeuse zaczęła przygasać, co samo w sobie nie było zbyt dziwne. Zmiana mieściła się w normalnym 400-dniowym cyklu, mówi astronom Edward Guinan z Villanova University w Pensylwanii, który śledzi cykle jasności Betelgezy od lat 80-tych.
Ale do Bożego Narodzenia Betelgeuza była najciemniejsza od ponad 100 lat, kiedy astronomowie ją mierzyli. A ściemnianie trwało przez cały luty.
Guinan był jednym z pierwszych, którzy wszczęli alarm. 7 grudnia i ponownie 23 grudnia, wraz z kolegami zamieścił na stronie The Astronomer’s Telegram biuletyn informujący o „omdleniu” gwiazdy i zachęcający kolegów astronomów do przyjrzenia się jej.
Nie było powodu, by sądzić, że przyciemnienie było zwiastunem supernowej. „Nigdy nie mówiłem, że to będzie supernowa” – mówi Guinan. Ponieważ takie eksplozje są tak rzadkie, astronomowie nie wiedzą jakie są sygnały świadczące o zbliżającej się supernowej. Ściemnianie może być jednym z nich.
Ten raport o dziwnym zachowaniu był wszystkim, co astronomowie i amatorzy kosmosu musieli usłyszeć. W sieci historia nabrała rozpędu.
„Na Twitterze to była histeria” – mówi Andrea Dupree, astrofizyk z Harvard & Smithsonian’s Center for Astrophysics w Cambridge, Mass. Pamięta, że widziała jeden tweet sugerujący, że eksplozja nastąpi tej nocy, z hashtagiem #HIDE. „Gdzie mam się schować? Pod moim biurkiem?” (Kiedy Betelgeuse w końcu wybuchnie, prawdopodobnie nie zaszkodzi życiu na Ziemi – jest w bezpiecznej odległości.)
Większość astronomów nie do końca wierzyła, że koniec Betelgeuse jest bliski, nawet gdy spieszyli się, aby zaplanować czas na teleskop. Niektórzy jednak dali się ponieść emocjom.
„Nie spodziewam się, że wybuchnie” – wspomina Guinan. „Ale nie chcę mrugnąć”. Zapisał się na telefoniczne alerty z teleskopów, które wykrywają niewidzialne cząstki zwane neutrinami oraz falowanie czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Wykrycie którejkolwiek z nich może być wczesną oznaką supernowej. Znalazł się na zewnątrz o 1 w nocy w styczniu po doniesieniu o falach grawitacyjnych z kierunku Oriona. „Było pochmurno, ale pomyślałem, że mogę zobaczyć pojaśnienie” – mówi. „Zwariowałem na tym punkcie.”
Inni też byli wierzący, dopóki ich dane nie podały w wątpliwość tego pojęcia.
„Myślałem, że może”, mówi astrofizyk Thavisha Dharmawardena z Max Planck Institute for Astronomy w Heidelbergu, Niemcy. „Wiedzieliśmy, że istnieją inne wyjaśnienia i być może będziemy musieli się temu przyjrzeć. Ale wiemy, że Betelgeuse jest starą gwiazdą, bliską końca swojego życia. To było ekscytujące.”
Dwa obozy
Odkąd gwiazda zaczęła wracać do swojej zwykłej jasności w połowie lutego, rozmowy o zbliżającej się supernowej ucichły. Artykuł opublikowany w Oct. 10 Astrophysical Journal zwiększył wiarę w długowieczność Betelgezy, sugerując, że gwiazda jest dopiero na początku swojej starości i ma przed sobą co najmniej 100 000 lat zanim wybuchnie. Ale co ona kombinuje, jeśli nie jest na granicy wybuchu?
W miarę jak wyniki z teleskopów na całym świecie i w kosmosie zalewały nas, większość astronomów podzieliła się na dwa obozy. Jeden z nich twierdzi, że przyćmienie Betelgezy zostało spowodowane przez chmurę pyłu wyrzuconą przez samą gwiazdę, która blokuje jej blask. Drugi obóz nie jest pewien, jakie jest wyjaśnienie, ale mówi „nie” spekulacjom na temat pyłu.
Jeśli teoria pyłu okaże się prawdziwa, może mieć głębokie implikacje dla początków złożonej chemii, planet, a nawet życia we wszechświecie. Czerwone supergwiazdy są otoczone przez rozproszone chmury gazu i pyłu, które są pełne pierwiastków, które są wykuwane tylko w gwiazdach – i te chmury tworzą się przed eksplozją gwiazdy. Nawet zanim umrą, supergwiazdy wydają się przekazywać materiał następnemu pokoleniu gwiazd.
„Węgiel i tlen w naszym ciele pochodzą stamtąd – z supernowej i z obłoków wokół umierających gwiazd” – mówi Montargès. Ale nie jest jasne, jak te elementy uciekają z gwiazd w pierwszej kolejności. „Nie mamy pojęcia” – mówi.
Montargès miał nadzieję, że badanie ściemniania Betelgezy pozwoli naukowcom zobaczyć ten proces w akcji.
W grudniu 2019 roku on i koledzy zrobili zdjęcie Betelgezy w świetle widzialnym za pomocą instrumentu SPHERE na Bardzo Dużym Teleskopie w Chile. Obraz ten pokazał, że owszem, Betelgeuse była znacznie ciemniejsza niż 11 miesięcy wcześniej – ale tylko dolna połowa gwiazdy. Być może winny był asymetryczny obłok pyłu.
Obserwacje z 15 lutego 2020 roku wydają się potwierdzać ten pomysł (SN: 4/11/20, str. 6). Levesque i Philip Massey z Lowell Observatory we Flagstaff, Ariz. porównali lutowe obserwacje z podobnymi z 2004 roku. Temperatura gwiazdy nie spadła tak bardzo, jak można by się spodziewać, gdyby przyciemnienie pochodziło od czegoś nieodłącznie związanego z gwiazdą, jak jej cykle konwekcyjne, donoszą w Astrophysical Journal Letters z 10 marca.
To pozostawiło pył jako rozsądne wyjaśnienie. „Wiemy, że Betelgeza pozbywa się masy i wytwarza pył wokół siebie,” mówi Levesque. „Pył mógł nadlecieć w naszą stronę, ochłodzić się i tymczasowo zablokować światło.”
Ciemna chmura
Silny głos za pyłem pochodzi od Dupree, która obserwowała Betelgezę za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Podobnie jak Guinan, ma ona kilkudziesięcioletni związek z Betelgeuse. W 1996 roku wraz z kolegą Ronaldem Gillilandem spojrzała na Betelgezę za pomocą Hubble’a, aby wykonać pierwszy prawdziwy obraz gwiazdy innej niż Słońce. Większość gwiazd znajduje się zbyt daleko i jest zbyt słaba, aby pokazać się jako coś innego niż punkt. Betelgeuse jest jedną z niewielu gwiazd, których powierzchnia może być widziana jako dwuwymiarowy dysk – prawdziwe miejsce.
Do końca 2019 roku Dupree obserwowała Betelgeuse za pomocą Hubble’a kilka razy w roku. Zebrała międzynarodowy zespół badaczy, który nazwała MOB, od Months of Betelgeuse, aby często obserwować gwiazdę w różnych długościach fal światła.
Cel był taki sam jak Montargèsa: odpowiedzieć na fundamentalne pytania o to, jak Betelgeuse, i być może inne czerwone supergiganty, tracą materię. MOB posiadał obserwacje bazowe sprzed przyciemnienia i miał już zaplanowany czas Hubble’a, aby śledzić cykle jasności gwiazdy.
Obserwacje te pokazały, że w styczniu i marcu 2019 roku Betelgeuse wyglądała „zupełnie normalnie”, mówi Dupree. Ale od września do listopada, tuż przed wydarzeniem przyciemnienia, gwiazda emitowała więcej światła ultrafioletowego – do czterech lub pięciu razy więcej niż zwykle – nad swoją południową półkulą.
Temperatura i gęstość elektronów w tym regionie również wzrosła. A materia wydawała się przemieszczać na zewnątrz, z dala od gwiazdy i w kierunku Ziemi.
Teoria Dupree i kolegów na temat tego, co się stało, opisana w czasopiśmie Astrophysical Journal z 10 sierpnia, jest taka, że jeden z gigantycznych bąbli gorącej plazmy, zawsze kłębiących się w zewnętrznych warstwach gwiazdy, wzniósł się do krawędzi jej atmosfery i uciekł, wysyłając ogromne ilości materiału płynącego w przestrzeń międzygwiezdną. To może być jeden ze sposobów, w jaki czerwone supergwiazdy pozbywają się materiału przed eksplozją.
Gdy już uciekły z gwiazdy, gorące cząstki ostygły, skondensowały się w pył i unosiły się przed Betelgezą przez kilka miesięcy. Gdy pył się oczyścił, Betelgeza znów stała się jaśniejsza.
„Wydaje nam się, że to, co widzieliśmy w ultrafiolecie jest swego rodzaju palącym pistoletem” – mówi Dupree. „Ten materiał przeniósł się na zewnątrz, skondensował i utworzył tę ciemną, ciemną chmurę pyłu.”
Paul Hertz, dyrektor działu astrofizyki NASA, podzielił się wynikami Hubble’a w internetowym spotkaniu w ratuszu NASA 10 września, jakby to była ostateczna odpowiedź. „Tajemnica rozwiązana”, powiedział. „Nie będzie supernowej w najbliższym czasie.”
Cykle i plamy
Może nie – ale to nie znaczy, że pył wyjaśnia przyćmienie.
W Astrophysical Journal Letters z 1 lipca, Dharmawardena i współpracownicy opublikowali obserwacje Betelgezy, które są sprzeczne z wyjaśnieniem pyłu. Jej zespół użył Teleskopu Jamesa Clerka Maxwella na Hawajach w styczniu, lutym i marcu, aby spojrzeć na Betelgeuse w submilimetrowych długościach fal świetlnych. „Jeśli sądzimy, że jest to chmura pyłu, submilimetr jest idealną długością fali, aby na nią spojrzeć” – mówi.
Pył powinien sprawić, że Betelgeza będzie wyglądać jaśniej w tych długościach fali, ponieważ unoszące się ziarna pochłaniają i reemitują światło gwiazdy. Ale tak się nie stało. Gwiazda nieco przygasła. „Naszą pierwszą myślą było to, że zrobiliśmy coś źle – wszyscy w społeczności spodziewali się, że to pył” – mówi. Ale „fakt, że nie wzrastała lub pozostawała stała w zakresie submilimetrowym, był dość oczywisty, że to nie jest pył.”
Obserwacje w podczerwieni za pomocą powietrznego teleskopu SOFIA powinny były znaleźć świecącą sygnaturę pyłu, jeśli takowa istniała. „Nigdy się nie pojawiła” – mówi Guinan. „Nie sądzę, by był to pył.”
W zamian Guinan uważa, że przyciemnienie mogło być częścią naturalnego cyklu konwekcyjnego Betelgezy. Zewnętrzna atmosfera gwiazdy nieustannie pulsuje i „oddycha”, gdy ogromne bąble gorącej plazmy unoszą się ku powierzchni i opadają ponownie. „Jest to napędzane przez wewnętrzne jądro gwiazdy” – mówi. „Masz gorące bąble unoszące się w górę, chłodzą się, stają się bardziej gęste, opadają z powrotem.”
Wielokrotne cykle synchronizujące się mogą wyjaśnić, dlaczego przyciemnienie w 2019 roku było tak ekstremalne. Guinan i współpracownicy przeanalizowali około 180 lat obserwacji Betelgezy, sięgających aż do odkrycia astronoma Johna Herschela z 1839 roku, że jasność gwiazdy zmienia się. Grupa Guinana odkryła, że oprócz cykli sześcioletnich i 400-dniowych, Betelgeuse może mieć jeszcze trzeci, mniejszy cykl, trwający około 187 dni. Wygląda na to, że wszystkie trzy cykle mogły uderzyć w swoje nadiry jasności w tym samym czasie pod koniec 2019 roku, mówi Guinan.
Może ciemność na południowej półkuli, którą zespół Montargèsa widział z SPHERE była ogromną plamą gwiazdową, oferuje Dharmawardena. W przypadku Słońca, te ciemne plamy, zwane plamami słonecznymi, oznaczają miejsca aktywności magnetycznej na jego powierzchni. Betelgeuse jest jedną z garstki gwiazd, na których plamy gwiazdowe zostały bezpośrednio zaobserwowane.
Ale aby spowodować ściemnienie Betelgeuse, plama gwiazdowa musiałaby być ogromna. Typowe plamy gwiazdowe pokrywają około 20 do 30 procent powierzchni gwiazdy, mówi Dharmawardena. Ta musiałaby pokryć co najmniej połowę, może nawet 70 procent.
„To rzadkie,” przyznaje Dharmawardena. „Ale tak samo jest z tego rodzaju przyciemnieniem.”
Pandemiczne zakłócenia
Analizy wciąż napływają. Ale gdy Betelgeuse wracała do swojej normalnej jasności, uderzyła pandemia COVID-19.
„Mieliśmy nadzieję na dużo więcej danych,” mówi Dharmawardena.
Kilka obserwacji dotarło tuż przed końcem. Obserwacje SOFIA zostały wykonane podczas jednego z ostatnich lotów, zanim pandemia uziemiła samolot, który przewozi teleskop. A Montargès rzucił okiem na SPHERE na kilka dni przed zamknięciem obserwatorium w połowie marca.
Ale jeden z najbardziej oczekiwanych przez Montargèsa wyników może nigdy nie nadejść. Chcąc rozwiązać zagadkę pył kontra nie-pył, jego plan zakładał połączenie dwóch rodzajów obserwacji: wykonanie dwuwymiarowego obrazu całego dysku gwiazdy, jak zrobił to Dupree z Hubble’em w latach 90-tych, ale w dłuższych falach, takich jak podczerwień lub submilimetr, jak obrazy Dharmawardeny z początku 2020 roku. W ten sposób można by odróżnić pył od gwiazdy, rozumował.
Tylko jedno obserwatorium może zrobić obie te rzeczy naraz: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, lub ALMA, w Chile. Montargès planował poprosić o obserwację Betelgezy za pomocą ALMA w czerwcu i lipcu, kiedy zimowe niebo na półkuli południowej jest najbardziej wolne od turbulencji. Ale ALMA została zamknięta w marcu i nadal była zamknięta we wrześniu.
„Kiedy zdałem sobie sprawę, że ALMA nie dostanie czasu w czerwcu, pomyślałem … że nigdy tego nie rozwiążemy” – mówi. „Możemy nigdy nie być całkowicie pewni, ze względu na COVID.”
Każda inna gwiazda
Montargès i jego koledzy przedłożyli do publikacji swoją analizę zdjęć SPHERE z marca. Choć nie jest jeszcze skłonny podzielić się wynikami, uważa, że mogą one zbliżyć do siebie oba obozy.
W ostatecznym rozrachunku, jeśli Betelgeuse rzeczywiście wykrztusiła chmurę pyłu w zeszłym roku, może nas to nauczyć o początkach życia we wszechświecie, mówi Montargès. Jeśli obóz pyłowy ma nawet częściową rację, przyciemnienie Betelgezy mogło być pierwszym przypadkiem, kiedy ludzie obserwowali nasiona życia wystrzelone w kosmos.
W międzyczasie Montargès z ulgą patrzy na swoją ulubioną gwiazdę, która znów świeci jasno. „Muszę przyznać, że od grudnia, od kiedy to wszystko się zaczęło, za każdym razem, gdy ją widzę, jestem jak, phew, ona wciąż tam jest” – mówi.
Ludzie wciąż pytają go, czy chciałby, aby Betelgeuse przeszła supernową, aby mógł ją badać. „Chciałbym, aby inna gwiazda przeszła supernową” – mówi. „Antares, nie obchodzi mnie to; może wybuchnąć w każdej chwili. Ale nie Betelgeuse.”