Blog

Nová studie říká, že Betelgeuze nebude v dohledné době explodovat

Stál jsem pod Orionem The Hunter za jasných večerů a chtěl jsem, aby jeho hvězda Betelgeuse explodovala.'No tak, vybuchni!'Na konci roku 2019 zažila Betelgeuse bezprecedentní událost stmívání, která klesla o 1,6 magnitudy na 1/3 svého maximálního jasu. Astronomové se ptali – byl tento stmívající se předchůdce supernovy? Jak kosmicky úžasné by bylo být svědkem okamžiku, kdy Betelgeuse exploduje. Hvězda, která se rozpadá v záři světla rozptylujícího semena planet, měsíců a možná i života po celém vesmíru. Kreativní kataklyzma.

Jen asi deset supernov byly viděny pouhým okem v celé zaznamenané historii. Nyní můžeme pomocí teleskopů znovu procházet starověké astronomické záznamy a objevovat zbytky supernov, jako je brilantní SN 1006 (svědkem v roce 1006 n. l.), jehož výbuch vytvořil jeden z nejjasnějších objektů, jaké kdy byly na obloze vidět. Bohužel, nejnovější výzkum naznačuje všichni možná čekáme dalších 100 000 let, než Betelgeuse praskne. Studium této nedávné události stmívání však přineslo nové informace o Betelgeuse, které nám mohou pomoci lépe porozumět hvězdám ve stavu před supernovou.

Tento srovnávací obrázek ukazuje Betelgeuse před a po jejím bezprecedentním ztmavení
ESO / M. Montargès a kol.

Balancování na rameni obra

Betelgeuse, AKA Alpha Orionis, je hvězda Červeného superobra. Její název je odvozen z arabského slova „bat al-jawz“, které se překládá jako „obrovo rameno“, protože hvězda tvoří levé rameno Orionu (pravděpodobně na něj odkazuje replikant „Roy“ ve svém monolog „slzy v dešti“ z filmu Bladerunner) . Po celý svůj život hvězdy bojují o rovnováhu proti vnitřní drtivé síle vlastní gravitace pomocí vnější síly své vlastní energie – stav známý jako hydrostatická rovnováha . Jakékoli narušení této rovnováhy způsobí změny ve hvězdě – některé dramatické, jiné kataklyzmatické.

Souhvězdí Orion viděné přes „měsíční halo“ způsobené měsíčním světlem dopadajícím na ledové krystaly ve vysoké nadmořské výšce. Hvězda v kroužku je Betelgeuse. Můžete jen rozeznat načervenalý nádech hvězdy. C. Matthew Cimone

Gravitace je začátek i konec hvězdy. Gravitace přitahuje surovinu k vytvoření hvězdy, plynného vodíku z mezihvězdné prázdnoty, a drtí ji dohromady. Stlačený a zahřátý vodík zažehne jadernou fúzi v jádru hvězdy (jádro našeho Slunce tvoří 1/4 jeho poloměru), které vyzařuje energii zpět proti vnějším vrstvám hvězdy. Dokud má hvězda zásobu vodíku, může unést svou vlastní váhu a dosáhne vyvážené koule. Jakmile dojde palivo, gravitace také přivede život hvězdy ke zdrcujícímu konci. Hvězdy ve fázi spalování vodíkového jádra svého života jsou zvažovány v „Hlavní posloupnosti“ – termínu z Hertzsprung-Russelův (HR) diagram (níže).

Adaptace HR diagramu uživatelem Wikipedie

HR Diagram nám pomáhá určit fázi života konkrétní hvězdy na základě jejich velikosti (jas – osa Y) a jejich barvy nebo spektrálního typu (přiřazeného kategorií písmen – osa X). Všechny hvězdy spalující vodík budou padat na „ Centrální „Hlavní sekvence“ ve tvaru S na tomto diagramu. Představte si to jako nejlepší dospělá léta hvězdy. Naše vlastní Slunce dopadá na Hlavní posloupnost jako hvězda třídy G „Žlutý trpaslík“. Stále spaluje vodík a bude ještě několik miliard let (nenechte nikoho, aby vám prodával sluneční pojištění). Jakmile je však vodíkové palivo v jádru hvězdy vyčerpáno, rovnováha se stává nevyváženou. Výtok energie se zpomalí a gravitace začne drtit jádro hvězdy. Tady hvězda dostává druhý život – i když v nové podobě.

Drcení jádra zvyšuje teplotu jádra. Zvýšená teplota vyzařuje ven do zásob vodíku, který zůstal ve vrstvách mimo jádro, které byly dříve příliš studené na to, aby se dosáhlo fúze. Tento obal vodíku mimo jádro se nyní vznítí, ale spalování této vnější mělčí vrstvy způsobuje bobtnání hvězdy. Jak se vnější vrstvy roztahují směrem ven, povrch hvězdy je nyní dále od jádra a rozprostírá se na větší ploše, což způsobuje, že se ochladí a zbarví se do červena. (hvězdy jsou červenější, když je chladnější, modřejší, když je tepleji) . Hvězda se „vyvine“ v Červeného obra (nebo Červeného SUPERobra pro velmi hmotné jasné hvězdy). Pokud je hvězda dostatečně hmotná, zvyšující se teploty v jádře také zapálí helium, které se nahromadilo jako vedlejší produkt spalování vodíku. Kdysi „popel“, helium se nyní stává sekundární „nouzovou“ zásobou paliva v prohraném boji s gravitací.

Mlhovina pozůstatek hvězdy, která vytvořila supernovu 100, kterou viděla rentgenová observatoř Chandra. K výbuchu došlo 7200 světelných let od Země. Svědkem napříč továrnou v roce 1006 n. l. vytvořil jeden z nejjasnějších objektů, jaké kdy byly v historii lidstva spatřeny.
C. Smithsonova instituce

Jako červený obr se pozice hvězdy na HR diagramu přesune do jedné z rodin „obrů“, které rostou, když větvení pramení z „S“ hlavní sekvence. Nyní je jasnější (výše na ose Y) a červenější (dále vpravo na ose X). Takto bychom mohli rozlišit řekněme červeného trpaslíka třídy M od červeného obra třídy M. Červený trpaslík a červený obr mohou barevně zaujímat stejnou pozici na ose X, ale obr bude mnohem jasnější, a tedy výše na ose Y v jedné z obřích větví. Red Supergaints jako Betelgeuse jsou v závěrečné fázi svého života. To nutně neznamená, že žili dlouhý život – jen to, že jsou v závěrečné fázi svého životavlastníživot. Betelgeuse prožila zlomek života našeho Slunce, přestože je mnohem hmotnější. Člověk by si myslel, že větší hvězda = více paliva ke spálení, ale větší hvězdy hoří svíčku na obou koncích. Aby udržely rovnováhu vůči své obrovské hmotnosti, spalují vodík mnohem rychleji než jejich protějšky s nižší hmotností.

Dýchající hvězda

Ale Betelgeuse ještě nedosáhla nové stabilní rovnováhy. Hvězda pulzuje svou jasností, a proto je klasifikována jako „proměnná hvězda“. Pochopení příčiny nebo „způsobu“ variability umožňuje výzkumníkům určit několik klíčových fyzikálních charakteristik Betelgeuse – zaměření nejnovější publikace Dr. Meredith Joyce z Australské národní univerzity, Dr. Shing-Chi Leung z CalTech a Dr. Chiaki Kobayashi docent na University of Hertfordshire.

Betelgeuse stále stmívá! – Video Universe Today od Frasera Caina

Variabilita hvězdy je buď vnější, nebo vnitřní. Vnější variabilita je změna jasu způsobená externím zdrojem. Zákrytové dvojhvězdy jsou běžnou vnější variabilitou, protože jedna hvězda blokuje světlo ze doprovodné hvězdy. Vnitřní variabilita je způsobena něčím uvnitř samotné hvězdy. Nedávný výzkum na Betelgeuse, inspirovaný dramatickým stmíváním hvězdy na konci roku 2019, se snažil určit, zda byla událost vnitřní nebo vnější povahy. Aktualizovaná pozorování pravidelných pulzů Betelgeuse umožnila výzkumníkům potvrdit, že primární příčinou variability je něco, co se nazývá 'Mechanismus Kappa' což destabilizuje rovnováhu hvězdy v podstatě způsobuje, že Betelgeuse „dýchá“, jak se zvětšuje a zmenšuje velikost a jas.

Obr 1 od Joyce et al 2020: „Dechy“ Betelgeuze za dvacet let. Všimněte si bezprecedentního propadu směrem k roku 2019. C. ESO/M. Montargès a kol. – Popis podle autora

Co je tedy mechanismus Kappa? Hvězdy jsou vyrobeny z ionizovaného plynu. Když přehřejete plynný vodík ve hvězdě, elektrony se odtrhnou od atomů vodíku – proces ionizace – který změní hvězdu na mléčnou polévku volně létajících elektronů zvanou plazma. Plazma tvoří 99 % viditelného vesmíru (my neionizované plazmové látky jsme ve skutečnosti vzácností vesmíru).

Ionizace však není rovnoměrná v celé hvězdě a existuje v několika vrstvách různé částečné ionizace. Klíčová charakteristikačástečněionizovaný vodík spočívá v tom, že při stlačení se vodík stává více neprůhledným ve srovnání s okolními vrstvami. Tyto vrstvy neprůhledného částečně ionizovaného vodíku mohou izolovat a zachycovat energii, když se energie snaží přesunout z jádra na povrch. Ve hvězdách hlavní posloupnosti chce tato zachycená energie vytlačit tyto neprůhledné vrstvy nahoru, ale nahoře je příliš mnoho husté hmoty hvězdy, než aby se pohnula. Uvězněná energie si nakonec najde jiné cesty k povrchu, nebo se nerovnoměrná ionizace vyrovná při víření hvězdy.

Proč se rudí obři rozpínají – Video Universe Today od Frasera Caina

Jak se však hvězda rozpíná v Červeného obra, tyto neprůhledné vrstvy částečné ionizace stoupají blíže k povrchu hvězdy, kde se mohou volněji pohybovat. S větší svobodou pohybu, když je pod neprůhledným izolačním plynem zachyceno dostatečné množství energie, je vrstva tlačena nahoru a tlačí na povrch hvězdy, což způsobuje, že hvězda dále bobtná. Jak se vrstva roztahuje, stává se méně stlačenou, méně neprůhlednou a pro energii transparentnější, což umožňuje zachycené energii uniknout přes povrch do prostoru. Po ztrátě energie ztrácí vrstva hybnost a padá zpět ke hvězdě, kde se pod povrchem hvězdy opět stlačí a neprůhledná. Představte si to jako parní ventil na konvici. Nahromadí se dostatek páry, ventil se zatlačí nahoru, aby se otevřel, pára se uvolní, potom ventil spadne a uzavře se. S každým pulzem se hvězda mění v poloměru a jasu. Funkcí tohoto neprůhledného částečně ionizovaného plynu při způsobování pulsace je Kappa mechanismus. Cyklus funguje takto:

A) Evoluce do Červeného obra spouští mechanismus Kappa

Hvězda expanduje do červeného obra, když jádro spálí vodíkové palivo
Expanze způsobuje, že vrstvy částečné ionizace stoupají do mělčích hloubek ve hvězdě
Jak se povrch hvězdy rozšiřuje směrem ven, je unášen hybností za gravitační rovnováhu hvězdy, kde se zpomaluje a klesá zpět dovnitř.

B) Cyklus mechanismu kappa

Padající hvězda stlačuje vrstvy částečně ionizovaného vodíku blízko povrchu hvězdy. Komprese změní tyto vrstvy na neprůhlednější zachycující energii pod nimi
Hvězda pokračuje ve smršťování, dokud neprůhlednost částečně ionizovaných vrstev dosáhne maxima. Nakonec je pod neprůhlednými vrstvami uvězněno dostatek energie k překonání hybnosti kolapsu.
Zde je hvězda nejkompaktnější v poloměru a stává se nejžhavější a nejjasnější v cyklu
Stlačená neprůhledná vrstva nyní přestane padat a začne se obracet směrem k povrchu, který je vytlačen ven proti gravitaci zachycenou energií pod ní.
Rozpínající se neprůhledná vrstva tlačí na povrch hvězdy a způsobuje, že hvězda bobtná. Expandující neprůhledné vrstvy se stávají méně stlačené a transparentnější a uvolňují zachycenou energii. Při největší expanzi bude hvězda nejchladnější a nejslabší v cyklu
Vnější vrstvy hvězdy nakonec ztratí hybnost a spadnou zpět dovnitř, přičemž cyklus začne znovu v kroku 4)

Představte si, že se vznášíte poblíž povrchu Rudého veleobra, který je milionkrát větší než objem Slunce, a sledujete, jak se jeho vnější vrstvy roztahují a smršťují. Povrch hvězdy se může pohybovat rychlostí jednoho kilometru za sekundu! Obluda, která každý rok nabere jeden obrovský dech.

Vědci použili počítačové modely, aby potvrdili, že mechanismus Kappa je zodpovědný za 416denní cyklus nebo období v jasu Betelguese. Virtuální model však nedokázal reprodukovat druhé 185denní období a delší 2365denní období, které výzkumný tým fyzicky pozoroval na samotné hvězdě. Je možné, že mechanismus Kappa interaguje s jinými vnitřními charakteristikami hvězdy a vytváří jiný režim proměnlivosti hvězdy. Vědci proto dospěli k závěru, že Betelgeuse je „proměnná hvězda s dvojitým režimem“.

Kratší 185denní období je klasifikováno jako an 'podtón' v pulsacích hvězdy. Slovo „tón“ je výstižné, protože vlnění hvězdou jsou v podstatě zvukové vlny v vířící plazmě. Období 2365 dnů se označuje jako LSP nebo dlouhé sekundární období. Původ těchto dalších dvou období není zcela jasný. Vědci povzbuzují, aby byly v budoucnu vyvinuty sofistikovanější počítačové modely, které by dále zkoumaly další období hvězdy.

Pokouším se demonstrovat mechanismus Kappa pomocí lávové lampy NASA c. Matthew Cimone

Na HR diagramu je velmi úzká oblast, kde existují proměnné hvězdy známé jako „pás nestability“. Je možné, že jak některé hvězdy stárnou, vyvíjejí sepřestento pás, dokud nedojde k novému rovnovážnému bodu na druhé straně, kde se režim pulsací zmenšuje nebo pulsy zesilují, dokud hvězda zcela neodfoukne své vnější vrstvy.

Vzhledem k tomu, že Betelgeuse stále pulsuje, vědci určují, že hvězda je pravděpodobně brzy ve fázi spalování helia svého přechodu na Červeného veleobra a pravděpodobně by mohla hořet dalších 100 000 let, dokud gravitace zcela nezvítězí a hvězda se nezhroutí do supernovy.

Úzký pás „Nestability“, kde se nacházejí proměnné hvězdy. C. Uživatel Wikipedie Znovu

Trail of Stellar Dominoes

Pulsy Betelgeuse umožňují výzkumníkům odvodit další informace o obecných charakteristikách hvězdy, jako je poloměr hvězdy. Víme, že pulsy procházejí hvězdou, což trvá určitou dobu indikovanou periodou pulsu. Vědci mohou obecně vypočítat, jakou rychlostí se pulsy pohybují (rychlost „zvuku“ dané hustotou Betelgeuse) a použít načasování periody k určení vzdálenosti, kterou se pohybovaly přes hvězdu. Pomocí těchto výpočtů byla Betelgeuse aktualizována na 764 slunečních poloměrů (764krát poloměr Slunce), což je asi 66 % předchozích odhadů.

Poloměr Betelgeuse bylo notoricky obtížné vypočítat, protože na rozdíl od našeho vlastního Slunce je jedním z největších dokonale kulovité objekty ve sluneční soustavě, fotosféra nebo povrch Betelgeuze je poměrně „rozmazaný“. Červení obři jsou spíše hvězdnými „oblaky“ než koulemi. Na povrchu Betelgeuse jsou také vybouleniny táhnoucí se stovky milionů kilometrů, když se vzdouvá ve své červené obry. I když je nový poloměr hvězdy menší, než se původně předpokládalo, její povrch by stále dosahoval za Mars a do pásu asteroidů, pokud by byl umístěn ve středu naší sluneční soustavy.

Betelgeuze je tak velká a tak blízko, že je to jedna z mála hvězd, kterou můžeme skutečně rozložit do kulového tvaru kromě našeho vlastního. Toto je jeden z vůbec pořízených snímků Betelgeuse s nejvyšším rozlišením. Všimněte si, že hvězda je méně kulovitá a více „mlhavá/blobkovitá“ charakteristická pro Červené obry. (Obrazový kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella)

Stejně jako astronomické domino, každá statistika, kterou o Betelgeuse aktualizujeme, poskytuje ostatním klíčové poznatky. S aktualizovaným poloměrem můžeme přepočítat naši vzdálenost k Betelgeuse na základě toho, jak „široká“ se na naší obloze jeví. S menším poloměrem musí být Betelgeuse blíže, než jsme si kdy mysleli, takže Rudý supergiant je asi 530 světelných let. I když je o 25 % blíže než starší výpočty, hvězda je stále příliš vzdálená na to, aby nás zabila, pokud vybuchne. Dobré vědět.

Nakonec výzkumníci zvážili našeho sousedního obra. Máme obecnou představu o rychlosti, jakou Betelgeuse ztrácí hmotu do vesmíru – v současnosti asi jedna sluneční hmota za milion let nebo tak – odfouknutá do Kosmu. Experimentování simulací s různými „progenitorovými“ nebo startovacími hmotami, když byla Betelgeuse mladou hvězdou hlavní posloupnosti, simulace běží dopředu v čase, dokud hvězda nevykazuje pulsace mechanismu Kappa. Betelgeuse tipuje stupnici na 16,5-19 hmotností Slunce (hmotnost našeho Slunce) s hmotností progenitoru 18-21. Tyto simulace také poskytují důkaz, že Betelgeuse je pravděpodobně pouze 7-11 milionů let stará. Představte si to – Betelgeuse je TISÍCOVÝ věk naší vlastní hvězdy a chystá se explodovat. Hvězdy jako Betelgeuse jsou prchavou jiskrou v kosmickém čase.

Světlo skrz tmu

Se všemi novými informacemi o Betelgeuse stále máme záhadu. Co způsobilo událost stmívání na konci roku 2019? Pokud má Betelgeuse ještě tisíciletí před svou velkolepou smrtí, co se stalo? Dvě možné odpovědi: Kombinace více režimů variability v Betelgeuse zarovnaná tak, aby posílila stmívání obvyklé variability. Jako když pustíte více kamenů do jezírka, někdy se vlny mohou sloučit a vytvořit větší vlny, nebo se vlastně navzájem vyrušit. Možná jsme byli svědky takové události. Nebo, další pravděpodobná příčina, masivní oblak prachu se pohyboval mezi námi a Betelgeuse dočasně blokující část světla hvězdy – spíše vnější než vnitřní stmívání.

Zatímco naše Slunce pravděpodobně během své eons dlouhé cesty kolem Mléčné dráhy vidělo mnoho hvězdných explozí, supernova je úžasná pro naši omezenou délku lidského života. Exploze Betelgeuze by byla dostatečně jasná na seslání stíny v noci . Bylo by to vidět i ve dne. Exploze bude v následujících měsících pomalu slábnout. Po roce by Rameno Oriona zmizelo z pouhého oka. Já na to asi nebudu, ale někdo ano. Můžeme si o sobě myslet, že jsme poněkud nestálí, ale stejně tak je i nebe samotné – hvězdy mizející v mlhách prostoru a času jako „slzy v dešti“.

Snímek supernovy 1994D v galaxii NGC 4526. Supernovy jsou tak jasné, že je lze dokonce vidět explodovat ve vzdálených galaxiích – této vzdálené 55 milionů světelných let. Je možné, že jedna supernova zastíní celou hostitelskou galaxii – poslední záblesk slávy. C. NASA/Hubble/ESA