För några månader sedan såg vi alla när Betelgeuse nedtonade. Mellan oktober 2019 och 22 februari 2020 sjönk stjärnans ljusstyrka med en faktor på cirka tre. Den gick från magnituden 0,5 och från att vara den tionde ljusaste stjärnan på himlen till magnituden 1,7.
Naturligtvis undrade vi alla vad som hände. Skulle det bli supernova? Även om det var extremt osannolikt, hur kunde vi låta bli att undra?
En ny studie föreslår en mer prosaisk förklaring till Betelgeuses beteende. Istället för en nära förestående supernova är det enkla stjärnfläckar som skapar nedtoningen.
Den nya studien har titeln ' Betelgeuse svagare i submillimetern också: en analys av JCMT- och APEX-övervakning under det senaste optiska minimumet .” Huvudförfattare är Thavisha Dharmawardena från Max Planck Institute for Astronomy. Uppsatsen publiceras i The Astrophysical Journal Letters.
Efter dess uttalade nedgång i ljusstyrka återgick Betelgeuse till formen. Den 25 februari hade det börjat ljusna igen. Rastlösa forskare fick fullt upp och började samla observationsdata och försöka få ihop vad som hade hänt. I mars 2020 publicerade två astronomer sitt senaste arbete, som visade att det helt enkelt var damm som ledde till Betelgeuses nedtoning.
Betelgeuse, sett av rymdteleskopet Hubble. Betelgeuse är den övre vänstra stjärnan i stjärnbilden Orion. Kredit: NASA
Emily Levesque från University of Washington var en av dessa vetenskapsmän. I ett pressmeddelande som tillkännager deras arbete, sa hon 'Vi ser detta hela tiden hos röda superjättar, och det är en normal del av deras livscykel. Röda superjättar kommer då och då att kasta bort material från sina ytor, som kommer att kondensera runt stjärnan som damm. När det svalnar och försvinner kommer dammkornen att absorbera en del av ljuset som är på väg mot oss och blockera vår sikt.”
Röda superjättar som Betelgeuse blir instabila på sin höga ålder. Eftersom de har bränt så mycket av sitt bränsle, innebär den resulterande förlusten av massa en förlust av självgravitation som håller samman dessa stjärnor. De kan pulsera, och dessa pulseringar är på en tidsskala av hundratals eller till och med tusentals dagar. Vi ser dessa pulseringar som förändringar i ljusstyrka.
Eftersom gravitationen på stjärnans yta har försvagats i sin höga ålder, kan dessa pulseringar skjuta ut stjärnans yttre lager i rymden ganska lätt. Det avgjutna materialet förvandlas till damm, och det är detta som ledde till den tidigare förklaringen till Betelgeuses nedtoning.
Betelgeuse och Orion Molecular Cloud-komplexet. Betelgeuse är den röda stjärnan uppe till vänster. Bildkredit: Av Rogelio Bernal Andreo – http://deepskycolors.com/astro/JPEG/RBA_Orion_HeadToToes.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20793252
Röda superjättar som Betelgeuse är mycket dynamiska stjärnor, så ingenting med denna nedtoning borde vara förvånande. Men det kan fortfarande ta mycket arbete att ta reda på vad som händer med dem. Frågan om Betelgeuses nedtoning slutade inte med Levesques studie.
I denna nya studie tittade forskarna på 13 års observationsdata från Betelgeuse. Studien presenterar submillimeterobservationer från James Clerk Maxwell-teleskopet och den Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Alla dessa data visar att Betelgeuse har upplevt andra episoder av nedtoning. Strömavbländningen observerades i optiskt ljus och var mer uttalad än de tidigare. Men de föregående avsnitten såg fortfarande att stjärnan dämpades med 20 %, men i längre våglängder.
I denna nya forskning började Dharmawardena och de andra författarna med att testa dammhypotesen.
Konstnärens intryck av Betelgeuse. Kredit: ESO/L. Calçada
Istället för optiskt ljus tittade de på längre våglängdsdata. Det beror på att medan optiskt ljus blockeras av damm, kan längre våglängder fortfarande tränga in. Betelgeuse var fortfarande svagare i de längre våglängderna, vilket är oförenligt med närvaron av damm. Något annat måste vara orsaken.
'Det som förvånade oss var att Betelgeuse blev 20 % mörkare även i submillimetervågområdet', rapporterar Steve Mairs från East Asian Observatory, som samarbetade i studien.
Teamet av forskare ville gräva djupare. De tog spektralområdet de observerade Betelgeuse i och beräknade hur mycket inverkan damm skulle ha på deras mätningar. I deras observationsområde under millimeter visar det sig att nedbländningen inte kan förklaras av damm. Så om nedtoningen inte orsakades av mellanliggande damm, antog de att det måste orsakas av stjärnan själv.
Den här bilden, erhållen med VISIR-instrumentet på ESO:s Very Large Telescope, visar det infraröda ljuset som sänds ut av dammet som omger Betelgeuse i december 2019. Dammmolnen, som liknar lågor i denna dramatiska bild, bildas när stjärnan kastar ut sitt material tillbaka ut i rymden. Den svarta skivan skymmer stjärnans centrum och mycket av dess omgivning, som är mycket ljus och måste maskeras för att de svagare dammplymerna ska kunna ses. Den orangea pricken i mitten är SPHERE-bilden av Betelgeuses yta, som har en storlek nära den för Jupiters bana. Kredit: ESO/P. Kervella/M. Montargès et al.
Författarna skrev i sin studie att 'Radiative-transfer modellering visar att detta inte kan orsakas av förändringar i dammhöljet, och därför måste återspegla en förändring i stjärnans fotosfär.'
Teamet av forskare säger att stora stjärnfläckar i Betelgeuses fotosfär är ansvariga för nedtoningen. De säger att fläckarna är så stora att de täcker 50 till 70 % av stjärnans yta. De är gigantiska och räcker för att få Betelgeuse att dämpa.
'Mot slutet av sina liv blir stjärnor röda jättar', förklarade huvudförfattaren Dharmawardena i en pressmeddelande . 'När deras bränsleförråd tar slut förändras processerna genom vilka stjärnorna frigör energi.'
För att förstå vad som händer här måste vi gräva i några astrofysiska principer.
En stjärnas ljusstyrka beror på ett par saker: dess diameter, och ännu viktigare, dess yttemperatur. Om en stjärnas diameter ökar, men inte dess temperatur, kommer ljusstyrkan att minska jämnt över alla våglängder. Men om temperaturen ändras, ökar inte ljusstyrkan jämnt över alla våglängder.
Eftersom Betelgeuses dimning inte var densamma i synligt ljus och i submillimeterljus, betyder det att yttemperaturen måste ändras. De säger att nedtoningen är resultatet av att stjärnans temperatur sjunker med cirka 200 C (392 F.)
Men det betyder inte att temperatursänkningen var jämn över hela den åldrande stjärnans yta. Och detta ledde till starspots.
'Men en asymmetrisk temperaturfördelning är mer sannolikt', förklarade medförfattaren Peter Scicluna från European Southern Observatory (ESO). 'Motsvarande högupplösta bilder av Betelgeuse från december 2019 visar områden med varierande ljusstyrka. Tillsammans med vårt resultat är detta en tydlig indikation på enorma stjärnfläckar som täcker mellan 50 och 70 % av den synliga ytan och har en lägre temperatur än den ljusare fotosfären.”
Ljus och mörker: Dessa högupplösta bilder av Betelgeuse visar fördelningen av ljusstyrka i synligt ljus på dess yta före och under mörkningen. På grund av asymmetrin drar författarna slutsatsen att det finns enorma stjärnfläckar. Bilderna togs med SPHERE-kameran från European Southern Observatory (ESO).
Bildkredit: ESO / M. Montargès et al.
Betelgeuse är en välstuderad stjärna, men detta visar oss bara att den fortfarande är full av överraskningar. Vår sol upplever solfläcksaktivitet under en 11-årscykel. Forskare vet ännu inte om röda superjättar som Betelgeuse går igenom en liknande cykel. Dess tidigare minimum för ljusstyrka var också mycket mer uttalad än de före den. Är detta bevis på en cykel?
'Observationer under de kommande åren kommer att berätta för oss om den kraftiga minskningen av Betelgeuses ljusstyrka är relaterad till en punktcykel. I vilket fall som helst kommer Betelgeuse att förbli ett spännande objekt för framtida studier”, avslutade huvudförfattaren Dharmawardena.