Jag har stått under Orion The Hunter på klara kvällar och beredd att dess stjärna Betelgeuse exploderar.'Kom igen, spräng!'I slutet av 2019 upplevde Betelgeuse en oöverträffad dimningshändelse som sjönk med 1,6 magnitud till 1/3 av dess maximala ljusstyrka. Astronomer undrade – var denna dämpande föregångare till supernova? Hur kosmiskt underbart det skulle vara att bevittna ögonblicket Betelgeuse exploderar. Stjärnan sliter isär i en flamma av ljus som sprider frön från planeter, månar och möjligen liv i hela universum. Kreativ katastrof.
Bara ett tiotal supernova har setts med blotta ögat i all nedtecknad historia. Nu kan vi återbesöka gamla astronomiska rekord med teleskop för att upptäcka supernovarester som den lysande SN 1006 (bevittnat 1006AD) vars explosion skapade ett av de ljusaste föremål som någonsin setts på himlen. Tyvärr, senaste forskningen tyder på vi alla kanske väntar ytterligare 100 000 år på att Betelgeuse ska dyka upp. Men genom att studera denna senaste nedtoningshändelse fick vi ny information om Betelgeuse som kan hjälpa oss att bättre förstå stjärnor i ett tillstånd före supernova.
Den här jämförelsebilden visar Betelgeuse, före och efter dess oöverträffade nedtoning
ESO/M. Montargès et al.
Balanserar på axeln av en jätte
Betelgeuse, AKA Alpha Orionis, är en Red Supergiant-stjärna. Dess namn kommer från det arabiska ordet 'bat al-jawz' som översätts till 'jättens axel' eftersom stjärnan bildar Orions vänstra axel (möjligen hänvisad till av replikanten 'Roy' i hans 'tears in the rain' monolog från filmen Bladerunner) . Under hela sitt liv har stjärnorna kämpat för att balansera mot den inre krossande kraften av sin egen gravitation med hjälp av den yttre kraften av sin egen energi – ett tillstånd som kallas hydrostatisk jämvikt . Varje störning av denna balans orsakar förändringar i stjärnan - vissa dramatiska andra katastrofala.
Stjärnbilden Orion sedd genom en 'Moon Halo' orsakad av månsken som träffar iskristaller på hög höjd. Den inringade stjärnan är Betelgeuse. Du kan bara urskilja den rödaktiga nyansen på stjärnan. c. Matthew Cimone
Tyngdkraften är både början och slutet på en stjärna. Tyngdkraften drar råmaterialet för att skapa en stjärna, vätgas från det interstellära tomrummet, och krossar det tillsammans. Komprimerad och uppvärmd antänder vätet kärnfusion i stjärnans kärna (vår sols kärna utgör 1/4 av dess radie) som strålar energi tillbaka utåt mot stjärnans yttre skikt. Så länge en stjärna har tillgång till väte kan den bära sin egen vikt och uppnå en balanserad sfär. När bränslet är slut kommer gravitationen också att få stjärnans liv till ett förkrossande slut. Stjärnor i vätekärnans förbränningsfas av deras liv betraktas i 'Huvudsekvensen' - en term från Hertzsprung-Russel (HR) Diagram (Nedan).
HR Diagram anpassning av Wikpedia användare
HR-diagrammet hjälper oss att bestämma fasen av en viss stjärnas liv baserat på dess magnitud (ljusstyrka – Y-axeln), och deras färg eller spektraltyp (tilldelad av en bokstavskategori – X-axeln.) Alla stjärnor som bränner väte kommer att falla på ' S'-formad central 'Main Sequence' på detta diagram. Tänk på det som en stjärnas bästa vuxna år. Vår egen sol faller på huvudsekvensen som en klass G 'gul dvärg'-stjärna. Det brinner fortfarande väte och kommer att vara det i några miljarder år till (låt inte någon sälja solförsäkringar till dig). Men när väl vätebränslet i en stjärnas kärna är slut, blir jämvikten obalanserad. Energiutflödet saktar ner och gravitationen börjar krossa stjärnans kärna. Det är här en stjärna får ett andra liv – om än i en ny form.
Krossningen av kärnan ökar kärnans temperatur. Den ökade temperaturen strålar utåt till förråd av väte som fanns kvar i lager utanför kärnan som tidigare var för kalla för att uppnå fusion. Detta skal av väte utanför kärnan antänds nu, men att bränna detta yttersta grundare lager får stjärnan att svälla. När de yttre lagren expanderar utåt är stjärnans yta nu längre från kärnan och sprids över ett större område vilket gör att den svalnar och blir röd i färgen (stjärnor är rödare när svalare, blåare när varmare) . Stjärnan 'utvecklas' till en röd jätte (eller röd SUPERjätte för mycket massiva ljusstarka stjärnor). Om stjärnan är tillräckligt massiv kommer stigande temperaturer i kärnan också att antända helium som ackumulerats som en biprodukt av förbränning av väte. När heliumet en gång var 'askan' blir nu en sekundär 'nödtillförsel' av bränsle i den förlorande kampen mot gravitationen.
Nebulosaresten av stjärnan som producerade Supernova 100 sett av Chandra X-ray Observatory. Explosionen inträffade 7 200 ljusår från jorden. Bevittnat över anläggningen 1006 e.Kr. skapade den ett av de ljusaste föremålen som någonsin setts i mänsklighetens historia.
c. Smithsonian institution
Som en röd jätte flyttar stjärnans position på HR-diagrammet till en av de 'jättar'-familjerna som växer när förgrening härstammar från 'S' i huvudsekvensen. Den är nu ljusare (högre på Y-axeln) och rödare (längre till höger på X-axeln). Detta är hur vi kan skilja säg en klass M röd dvärg från en klass M röd jätte. En röd dvärg och röd jätte kan inta samma position på X-axeln färgmässigt, men jätten blir mycket ljusare och därför högre på Y-axeln i den ena av jättegrenarna. Red Supergaints som Betelgeuse är i slutskedet av sina liv. Det betyder inte nödvändigtvis att de har levt ett långt liv - bara att de är i slutskedet av sittegenliv. Betelgeuse har levt en bråkdel av vår sols livstid trots att den är mycket mer massiv. Man skulle kunna tro större stjärna = mer bränsle att bränna men större stjärnor bränner ljuset i båda ändar. För att upprätthålla balansen mot sin enorma massa brinner de igenom väte mycket snabbare än sina motsvarigheter med lägre massa.
En andningsstjärna
Men Betelgeuse har inte uppnått någon ny stabil jämvikt än. Stjärnan pulserar i ljusstyrka och klassificeras därför som en 'variabel stjärna'. Att förstå orsaken eller 'läget' för variationen gör det möjligt för forskare att fastställa flera viktiga fysiska egenskaper hos Betelgeuse - fokus för senaste publikationen av Dr Meredith Joyce från Australian National University, Dr Shing-Chi Leung från CalTech och Dr Chiaki Kobayashi docent vid University of Hertfordshire.
Betelgeuse dimmar fortfarande! – Universe Today Video av Fraser Cain
En stjärnas variabilitet är antingen yttre eller inneboende. Extrinsisk variabilitet är en förändring i ljusstyrka på grund av en extern källa. Förmörkande dubbelstjärnor är en vanlig yttre variabilitet eftersom en stjärna blockerar ljuset från en medföljande stjärna. Inneboende variabilitet orsakas av något inom stjärnan själv. Den senaste forskningen om Betelgeuse, inspirerad av stjärnans dramatiska nedtoning i slutet av 2019, försökte avgöra om händelsen var inneboende eller extrinsisk till sin natur. Uppdaterade observationer av Betelgeuses regelbundna pulser gjorde det möjligt för forskare att bekräfta att den primära orsaken till variabiliteten är något som kallas 'Kappa Mechanism' vilket destabiliserar stjärnans jämvikt, vilket i huvudsak får Betelgeuse att 'andas' när den sväller och krymper i storlek och ljusstyrka.
Fig 1 från Joyce et al 2020: Betelgeuses 'andningar' under tjugo år. Notera den oöverträffade nedgången mot 2019. C. ESO/M. Montargès et al. – Beskrivning av författare
Så vad är Kappa-mekanismen? Stjärnor är gjorda av joniserad gas. När du överhettar vätgas i en stjärna, slits elektroner från väteatomerna – joniseringsprocessen – som förvandlar stjärnan till en kokande soppa av fritt flygande elektroner som kallas plasma. Plasma utgör 99% av det synliga universum (oss icke-joniserade plasmasaker är faktiskt rymdens sällsynthet).
Men joniseringen är inte enhetlig genom en hel stjärna och finns i flera lager med varierande partiell jonisering. En viktig egenskap hosdelvisjoniserat väte är att när det komprimeras blir vätet mer ogenomskinligt jämfört med omgivande skikt. Dessa lager av ogenomskinligt partiellt joniserat väte kan isolera och fånga energi när energin försöker flytta från kärnan till ytan. I huvudsekvensstjärnor vill den fångade energin trycka de ogenomskinliga lagren uppåt, men det finns för mycket av stjärnans täta massa ovanför för att vika. Så småningom hittar den fångade energin andra vägar till ytan, eller så utjämnas den ojämna joniseringen i stjärnan.
Varför expanderar Red Giants – Universe Today Video av Fraser Cain
Men när en stjärna expanderar till en röd jätte, stiger dessa ogenomskinliga lager av partiell jonisering närmare stjärnans yta där de kan röra sig mer fritt. Med mer rörelsefrihet, när tillräckligt med energi fångas under den ogenomskinliga isoleringsgasen, tvingas lagret uppåt och trycker mot stjärnans yta vilket får stjärnan att svälla ytterligare. När lagret expanderar blir det mindre komprimerat, mindre ogenomskinligt och mer genomskinligt för energi, vilket gör att den fångade energin kan fly genom ytan och ut i rymden. Efter att ha förlorat energi tappar lagret fart och faller tillbaka mot stjärnan där det återigen blir komprimerat och ogenomskinligt under stjärnans yta. Tänk på det som ångventilen på en vattenkokare. Tillräckligt med ånga byggs upp, ventilen trycks upp för att öppna, ångan släpps ut, sedan faller ventilen och stänger. Med varje puls ändras stjärnan i radie och ljusstyrka. Funktionen hos denna ogenomskinliga partiellt joniserade gas för att orsaka pulseringen är Kappa-mekanismen. Så här fungerar cykeln:
A) Evolution till Red Giant utlöser Kappa-mekanismen
- Stjärnan expanderar till en röd jätte när kärnan brinner genom sitt vätebränsle
- Expansionen gör att lager av partiell jonisering stiger till grundare djup inom stjärnan
- När stjärnans yta expanderar utåt, bärs den med momentum förbi stjärnans gravitationsjämvikt där den saktar ner och faller tillbaka inåt.
B) Kappa-mekanismcykel
- Den infallande stjärnan komprimerar lager av delvis joniserat väte nära stjärnans yta. Kompressionen gör dessa lager mer ogenomskinlig fångstenergi under
- Stjärnan fortsätter att dra ihop sig tills opaciteten hos de delvis joniserade skikten når ett maximum. Så småningom fångas tillräckligt med energi under de ogenomskinliga lagren för att övervinna farten i kollapsen.
Det är här som stjärnan är som mest kompakt i radie och blir den hetaste och ljusaste i cykeln - Det komprimerade ogenomskinliga lagret slutar nu att falla och börjar ändra riktning mot ytan som trycks utåt mot gravitationen av den fångade energin under.
- Det expanderande ogenomskinliga lagret trycker mot stjärnans yta och får stjärnan att svälla. De expanderande ogenomskinliga skikten blir mindre komprimerade och mer transparenta och frigör instängd energi. När den är mest expanderad kommer stjärnan att vara den coolaste och svagaste i cykeln
- Stjärnans yttre skikt tappar så småningom fart och faller tillbaka inåt och börjar cykeln om igen vid steg 4)
Föreställ dig att sväva nära ytan av en röd superjätte miljoner gånger solens volym och se dess yttre lager expandera och dra ihop sig. Stjärnans yta kan röra sig upp till en kilometer per sekund! En gigant som tar ett gigantiskt andetag varje år.
Forskarna använde datormodeller för att bekräfta att Kappa-mekanismen är ansvarig för en 416 dagars cykel eller period i Betelgueses ljusstyrka. Den virtuella modellen kunde dock inte reproducera en andra period på 185 dagar och en längre period på 2365 dagar som forskargruppen fysiskt observerade i själva stjärnan. Det är möjligt att Kappa-mekanismen interagerar med andra inneboende egenskaper hos stjärnan för att producera ett annat läge i stjärnans variabilitet. Forskarna drar därför slutsatsen att Betelgeuse är en 'dubbellägesvariabel stjärna.'
Den kortare 185-dagarsperioden klassificeras som en 'överton' i stjärnans pulseringar. Ordet 'ton' är passande eftersom krusningarna genom stjärnan i huvudsak är ljudvågor i den kärrande plasman. Perioden på 2365 dagar kallas en LSP eller lång sekundär period. Ursprunget till dessa två andra perioder är inte helt klart. Forskarna uppmuntrar att mer sofistikerade datormodeller utvecklas i framtiden för att ytterligare undersöka stjärnans andra perioder.
Jag försöker demonstrera Kappa-mekanismen med en NASA Lava Lamp c. Matthew Cimone
Det finns ett mycket smalt område på HR-diagrammet där det finns variabla stjärnor, känd som 'instabilitetsremsan.' Det är möjligt att när vissa stjärnor åldras, utvecklas degenomdenna remsa tills den kommer till en ny jämviktspunkt på andra sidan där pulsationssättet minskar eller pulserna förstärks tills stjärnan blåser sina yttre skikt helt av.
Eftersom Betelgeuse fortfarande pulserar, fastställer forskarna att stjärnan sannolikt är tidigt i heliumbränningsfasen av sin övergång till en röd superjätte och sannolikt kan fortsätta brinna i ytterligare 100 000 år tills gravitationen vinner helt och stjärnan kollapsar till en supernova.
Den smala 'Instabilitets'-remsan där variabla stjärnor finns. c. Wikipedia-användare På nytt
Ett spår av Stellar Domino
Betelgeuses pulser tillåter forskare att härleda annan information om stjärnans allmänna egenskaper, såsom stjärnans radie. Vi vet att pulserna färdas genom stjärnan vilket tar en viss tid som indikeras av pulsperioden. Forskarna kan generellt beräkna vilken hastighet pulserna färdas (hastigheten på 'ljud' givet Betelgeuses densitet) och använda tiden för perioden för att bestämma vilket avstånd de har rört sig genom stjärnan. Med hjälp av dessa beräkningar har Betelgeuse uppdaterats till 764 solradier (764 gånger solens radie) ungefär 66 % av tidigare uppskattningar.
Betelgeuses radie har varit notoriskt svår att beräkna eftersom till skillnad från vår egen sol, en av de mest perfekt sfärisk objekt i solsystemet, fotosfären eller ytan på Betelgeuse är ganska 'suddig'. Röda jättar är mer som stjärnmoln än sfärer. Betelgeuses yta har också utbuktningar som sträcker sig hundratals miljoner kilometer när den böljar i sin Röda Giantyness. Även om stjärnans nya radie är mindre än man ursprungligen trodde, skulle dess yta fortfarande nå förbi Mars och in i asteroidbältet om den placerades i mitten av vårt solsystem.
Betelgeuse är så stor och så nära att den är en av få stjärnor som vi faktiskt kan lösa upp till en sfärisk form förutom vår egen. Detta är en av de högsta upplösta bilderna av Betelgeuse som ens tagits. Lägg märke till hur stjärnan är mindre sfärisk och mer 'nebulös/blobbig' karaktäristisk för Red Giants. (Bildkredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella)
Liksom astronomidominer ger varje statistik vi uppdaterar om Betelgeuse viktiga insikter till andra. Med en uppdaterad radie kan vi räkna om vårt avstånd till Betelgeuse baserat på hur 'brett' det ser ut på vår himmel. Med en mindre radie måste Betelgeuse vara närmare än en gång trodde att den röda superjätten är cirka 530 ljusår. Medan den är 25 % närmare än äldre beräkningar, är stjärnan fortfarande för avlägsen för att döda oss om den exploderar. Bra att veta.
Slutligen vägde forskare vår grannjätte. Vi har en allmän uppfattning om hur snabbt Betelgeuse förlorar massa till rymden – för närvarande ungefär en solmassa varje miljon år eller så – som blåses av i kosmos. Genom att experimentera genom att simulera med olika 'progenitor' eller startmassor när Betelgeuse var en ung huvudsekvensstjärna, löper simuleringen framåt i tiden tills stjärnan uppvisar Kappa Mechanism-pulsationer. Betelgeuse tippar skalan på 16,5-19 solmassor (massan av vår sol) med en stamfadermassa på 18-21. Dessa simuleringar ger också bevis för att Betelgeuse sannolikt bara är 7-11 miljoner år gammal. Föreställ dig det – Betelgeuse är en TUSENDEL ålder av vår egen stjärna och är på väg att explodera. Stjärnor som Betelgeuse är en flyktig gnista i kosmisk tid.
Ett ljus genom mörkret
Med all ny information om Betelgeuse har vi fortfarande ett mysterium. Vad orsakade nedtoningen i slutet av 2019? Om Betelgeuse fortfarande har årtusenden före sin magnifika död, vad hände då? Två möjliga svar: Kombinationen av flera variationslägen i Betelgeuse anpassas för att förbättra dämpningen av den vanliga variabiliteten. Som att tappa flera stenar i en damm, ibland kan vågorna smälta samman för att skapa större vågor, eller faktiskt ta ut varandra. Vi kan ha varit med om den typen av händelser. Eller, en annan trolig orsak, ett massivt dammmoln rörde sig mellan oss och Betelgeuse och blockerade tillfälligt en del av stjärnans ljus – en yttre snarare än en inneboende dämpning.
Medan vår sol sannolikt har sett många stjärnexplosioner under sin eonslånga resa runt Vintergatan, är en supernova häpnadsväckande för vår egen begränsade mänskliga livslängd. Explosionen av Betelgeuse skulle vara tillräckligt ljus för att kasta skuggor på natten . Det skulle till och med synas under dagen. Explosionen skulle sakta avta under de kommande månaderna. Efter ett år skulle axeln av Orion försvinna från blotta ögat. Jag kommer förmodligen inte att vara med för det, men någon kommer att göra det. Vi kanske tycker att vi är ganska förgängliga, men det är också himlen själv – stjärnor som bleknar in i rummets och tidens dimma som 'tårar i regnet'.
Bild av supernova 1994D i galaxen NGC 4526. Supernovor är så ljusa att de till och med kan ses explodera i avlägsna galaxer – denna 55 miljoner ljusår bort. Det är möjligt för en supernova att överglänsa hela värdgalaxen – en sista glans. c. NASA/Hubble/ESA
Följ Matthew vidare Twitter eller Instagram för fler Spacey Stories
Feature Image: Datorsimulering av Betelgeuse i Space Engine Pro av författare
Mer att utforska:
[2006.09837] Att stå på jättarnas axlar: Nya mass- och avståndsuppskattningar för Betelgeuse genom kombinerade evolutionära, asteroseismiska och hydrodynamiska simuleringar med MESA (arxiv.org) (Original Research Paper – Open Access)
Studie av Supergiant Star Betelgeuse avslöjar orsaken till dess pulseringar; Omkalibrerade dess massa, radie och avstånd | Kavli IPMU- ????????????
Pulserande stjärnor: Stars that Breathe – Swinburne University Presentation
Radiella stjärnpulseringar - Astro Princeton
Stellar Pulsation och Variable Stars – University of Iowa
Pulserande variabla stjärnor (csiro.au) – Australia Telescope National Facility
När Betelgeuse blir supernova, hur kommer det att se ut från jorden? | Astronomy.com