Raport o stanie Betelgezy

W poprzedniej notce o Betelgezie obiecałem Wam, że jak tylko się da wykonam kilka fotek gasnącej gwiazdy. Przyznam, że ze względu na fatalną pogodę doszedłem do całkiem dobrych rezultatów w szybkości rozstawiania sprzętu i justowania aparatury. Pomijając stabilizację termiczną teleskopu i kamery - 15 minut do pierwszej obserwacji - uważam za czas trudny do pobicia. Pogoda nadal jest fatalna i nawet pogodne z pozoru noce podczas obserwacji ukazują duże ilości lodu w górnych warstwach atmosfery, ujawniających się w postaci bardzo cieniutkiego Cirrusa. Przeloty już kilku maszyn pasażerskich – a mieszkam dokładnie w linii bardzo ruchliwego korytarza wyprowadzającego ruch lotniczy nad Atlantyk – pogarszają sprawę poprzez wytwarzanie Cirrusa „Jetusa” jak żartobliwie nazywamy chmury, inicjowane przez smugi kondensacyjne. Fachowo nazywane Cirrus homogenitus i przeobrażające się w bardziej trwałe Cirrus homomutatus.

Czy ma sens to czekanie na obserwacje? Dla mnie tak, bo jeszcze nigdy w historii obserwacji astronomicznych Betelgeza nie była tak ciemna. Parę dni temu podano, że osiągnęła 1.619 Magnitude, co oznacza, że nadal intensywnie ciemnieje – od września 2019 pociemniała aż o 37%! Wprawdzie pojawiły się wieści, że nastąpił przełom, ale nie zostały one potwierdzone i badacze od lat obserwujący Betelgezę bardzo stanowczo zaprzeczyli tym rewelacjom.

Czy moje obserwacje mogą odpowiedzieć na pytanie, kiedy nastąpi wielkie bum? Oczywiście, że nie. Nie o to tu chodzi… Chodzi o towarzyszenie w temu niezwykłemu zjawisku!

Zróbcie taki eksperyment. Weźcie kartkę papieru i połóżcie na niej pytę CD. Potem obrysujcie ją dookoła ołówkiem o twardości HB. Potem zdejmijcie z kartki CD i obok narysowanego okręgu wykonajcie ołówkiem – przedtem jednak ostrząc go dokładnie - punkt na kartce. Ten punkt to będzie nasze Słońce, a okrąg po CD to będzie czerwony olbrzym, wielkości Antaresa! A gwiazda Antares jest dwa razy mniejsza od Betelgezy! Aby narysować tę gwiazdę w podobnej skali, w momencie, kiedy była w szczycie swojej ekspansji, potrzebowalibyście już pokrywkę od patelni o średnicy ok. 30 centymetrów! Ten punkt i pokrywka od patelni… No to wiecie już jak ogromne są nadolbrzymy. A Betelgeza nie jest największą gwiazdą w naszej galaktyce.

No i wracamy do tego, co obecnie dzieje się z gwiazdą.

Tu muszę wyjaśnić Wam etapy jej życia.

Gwiazdy tak ogromne jak Betelgeza nie żyją długo - w kosmicznej skali oczywiście - bo zaledwie kilka milionów lat. Ich życie jest intensywne, spalają szybko paliwo i kończą życie w efektownym wybuchu Supernowej. Obecne pokolenia gwiazd rzadko zaczynają swoje życie, jako czyste wodorowe kule, bo zazwyczaj w przestrzeni rozrzucone są już pozostałości po wybuchu innych gwiazd. Uważam, że ten fakt ma duży wpływ na przebieg syntezy termonuklearnej w ich wnętrzach i niestety wydaje się być pomijany przez badaczy w tworzeniu modeli teoretycznych.

Ale potraktujmy to tak jakby Betelgeza zaczynała życie, jako czysta wodorowa kula.

Po osiągnięciu określonej gęstości i związanej z tym temperatury następuje termonuklearny zapłon wodoru. W tej fazie gwiazda taka jak Betelgeza emituje światło intensywnie niebieskie. Dokładnie tak jak pokazany niżej na moim zdjęciu Rigel – niebieski nadolbrzym z tej samej konstelacji, co Betelgeza, czyli Oriona.

Niebieski nadolbrzym Rigel. Zdjęcie: Alpejski

To w zakresie widzialnym. Ale dochodzi do tego jeszcze intensywna emisja w zakresie ultrafioletu. To promieniowanie, choć niewidoczne dla naszego oka może powodować, że jeśli napotka w przestrzeni obłoki jakiegoś gazu, jonizuje je pobudzając do świecenia. Tak jak pokazaną na zdjęciu Wielką Mgławicę w Orionie, pobudzają do świecenia niebieskie nadolbrzymy, położone optycznie niemal w jej centrum! Tylko dzięki nim widzimy tę olśniewającą feerię kolorów.

M42 - czyli Wielka Mgławica w Orionie. 20.01.2020 Zdjęcie: Alpejski

To kolorowe zdjęcie wykonałem parę dni temu podczas obserwacji Betelgezy. Wszystkie kolory są autentyczne, jednak patrząc gołym okiem na mgławicę ich nie widzimy, bo nasze siatkówki nie są zbyt czułe w pewnych zakresach promieniowania.

Ale wracamy do ewolucji Betelgezy.

Gwiazda, jako niebieski olbrzym musiała świecić kilka milionów lat spalając wodór do helu. Potem rozpoczęła spalanie helu w wyniku, czego rozpoczęła ona produkcję węgla. Od tego momentu możemy rozpocząć wielkie odliczanie do wybuchu Supernowej i według teorii powinno ono trwać około 100 000 lat.

Cięższe pierwiastki w takim przypadku zaczynają koncentrować się w jądrze gwiazdy i mamy do czynienia z ciekawym zjawiskiem, bo kilka procesów termonuklearnych zachodzi w gwieździe jednocześnie. W jądrze po zużyciu wodoru mamy hel, którego trzy jądra podczas syntezy łączą się w jedno jądro węgla. Gwiazda zaczyna powiększać swoją objętość osiągając już rozmiary czerwonego olbrzyma. Na zewnętrz jądra dalej spala się wodór, tworząc hel. Kiedy w centrum gwiazdy skończy się zapas helu, który został już całkowicie „przerobiony” na węgiel gwiazda staje się nadolbrzymem. Czyli osiąga naprawdę zawrotne rozmiary. Z jakiego powodu tak się dzieje wyjaśnię trochę dalej.

Gwiazda zaczyna pulsować, to znaczy po wyczerpywaniu się kolejnych składników paliwa w rdzeniu – wodoru, helu – rdzeń zaczyna się zapadać pod wpływem sił grawitacji. Jedyne, co może się temu przeciwstawić to ciśnienie promieniowania reakcji termojądrowej, ale aby kolejny element wszedł w taką reakcję potrzebne są jeszcze wyższe ciśnienia i temperatury. Rdzeń gwiazdy osiągnie odpowiednie ciśnienie oraz temperaturę zapadając się. Wedy następuje zapłon kolejnego cyklu spalania, ciśnienie promieniowania rośnie i zaczyna przeciwstawiać się siłom grawitacji, zatrzymując kolaps rdzenia – i tak cykl za cyklem.

Kiedy w centrum gwiazdy zaczyna się spalać węgiel, tworząc neon ciśnienie promieniowania jest ogromne. Ponieważ odległość zewnętrznych warstw od rdzenia jest bardzo duża, zewnętrzne warstwy zaczynają podlegać intensywnej konwekcji. Grawitacja malejąca w funkcji geometrycznej wraz z odległością od już bardzo gęstego i ciężkiego jądra, przy rozmiarach gwiazdy rzędu czerwonego olbrzyma, na jej obrzeżach jest stosunkowo niewielka. Gdyby taką gwiazdę umieścić w centrum Układu Słonecznego sięgałaby orbity Marsa. Przy narastającej konwekcji i tworzących się coraz większych komórkach konwekcyjnych powoduje to dalsze powiększanie się gwiazdy i rośnie ona do rozmiarów nadolbrzyma, czyli jej promień rośnie jeszcze znacząco. Gdyby takiego nadolbrzyma umieścić w centrum naszego Układu Słonecznego, gwiazda taka jak Betelgeza sięgałaby poza orbitę Jowisza!

Gwiazda zaczyna przypominać cebulę tworząc kolejne skorupki.

Model nadolbrzyma w kuchni Alpejskiego. Zdjęcie: Alpejski

I tak od zewnątrz w kierunku jądra mamy: resztki wodoru spalającego się do helu tworzącego kolejną warstwę. Potem hel spala się do węgla – kolejna warstwa – węgiel do neonu, neon do tlenu, tlen do krzemu. To uproszczony schemat pomijający inne wytwarzane pierwiastki, ale chodzi o etapy i uproszczenie modelu.

Co ciekawe każdy etap trwa coraz krócej.

Przypomnicie sobie, co napisałem powyżej. Po wyczerpaniu w jądrze helu gwiazda staje się nadolbrzymem i od tego czasu powinno minąć 100 000 lat do wielkiego BUM! No i z tych 100 000 lat prawie wszystkie lata zostaną poświęcone na ukończenie fazy tworzenia w jądrze węgla. Kiedy ten węgiel zacznie syntezę do neonu gwieździe na ukończenie tego etapu spalania wystarczy zaledwie kilka lat! Kiedy z tlenu zacznie produkować krzem zajmie to gwieździe najwyżej kilka miesięcy. No i kiedy z krzemu zacznie produkować żelazo zajmie jej to najwyżej dwa dni – tak dwa dni! Potem zapadające się jądro nie zostanie już powstrzymane przez kolejny podobny cykl i nastąpi eksplozja Supernowej.

Betelgeza 20.01.2020 zdjęcie panchromatyczne i w bliskiej podczerwieni z uwypulkonym zakresem podczerwieni. Kolory nienaturalne. Zdjęcie: Alpejski

Zdaniem wielu fizyków droga fotonu z jądra nadolbrzyma do korony zajmuje mu wiele tysięcy lat. Tak więc nie da się obserwować w tym zakresie tego co dzieje się w jądrze. W przypadku naszego słońca foton wydostający się w przestrzeń kosmiczną zaczął swoją podróż w jądrze przed stu tysiącami lat. Jednak i tak te zaledwie kilka tysięcy lat podróży w przypadku Betelgezy sprawiają, że zanim, coś nas poinformuje o tym co dzieje się w jądrze, pozostanie już jedynie przysłowiowa musztarda po obiedzie, bo gwiazda wyleci w powietrze, a raczej w przestrzeń kosmiczną.

Czy są szybsze środki komunikacji z jądrem gwiazdy?

Tak to neutrina. Gwiazda przez całe życie produkuje ogromne ilości tych bardzo ciekawych cząstek. Mają one interesujące własności – przelatują przez najgęstszą materię i niemal jej nie zauważają z prędkością światła, unosząc ze sobą potrzebne informacje do tego, aby określić, co dzieje się z rdzeniem gwiazdy.

Tu powołam się na bardzo ciekawą i elegancką pracę polskich fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego Andrzeja Odrzywołka, Marcina Misiaszka i Marka Kutschery.

Postulują oni, aby obserwować w detektorach neutrin specyficzną sygnaturę neutrin, sgnalizującą przekroczenie w procesach zachodzących w rdzeniu gwiazdy pewnej krytycznej wartości energii, pojawiającej się, kiedy gwiazda rozpoczyna syntezę krzemu i produkuje żelazo.

Te wysokoergetyczne neutrina pojawią się na kilkanaście do kilkudziesięciu godzin przed wybuchem, ale potwierdzenie teorii polskich naukowców byłoby ogromnym krokiem w stronę poznania procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd i teorii na ich temat. Polacy napisali swoją pracę już dawno, jeśli Betelgeza wybuchnie to być może wcześniej uda się zaobserwować w takich maszynach jak Super Kamiokande strumień specyficznych „sygnaturowych” neutrin, a polska fizyka pokazałaby w pełni swoją doskonałą formę. Trzymam, zatem kciuki i mam nadzieję, że już gdzieś prowadzi się obserwacje nastawione na poszukiwanie neutronowego śladu odwrotnych rozpadów beta pod kątem obserwacji Betelgezy.

CDN

ps. Czy dzisiaj założyłbym się o skrzynkę piwa, że w najbliższym czasie Betelgeza eksploduje? Tak. Zdecydowanie tak.

Mam kilka argumentów pomijanych w dyskusjach fachowców na forach internetowych.

Betelgeza od 1993 roku do 2009 roku skurczyła się o 15% nie zmieniając zasadniczo swojej jasności i to kurczenie się gwiazdy trwa nadal! Ten fakt często jest pomijany, bo badacze boją się zaryzykować oficjalnie swoją reputację w przypadku dyskusji o rozmiarach gwiazdy!

Jeśli wierzyć badaniom opublikowanym o 15% skurczeniu się gwiazdy w ciągu 16 lat, to dziś nie jest wykluczone, że gwiazda skurczyła się już znacznie bardziej (nie natrafiłem na opublikowane wyniki, ale „ptaki na drzewach ćwierkają”, że skurczyła się aż o 25%), ale dopiero od kilku miesięcy utraciła na jasności i spadła temperatura jej powierzchni, aż o ponad 100 K. To wydaje się niewiele, ale w skali takiego giganta to ogromna energia, która termodynamicznie rozumując zmieniła postać. Czy została wypromieniowana? A może trzeba poprawić teorię supernowych i nadolbrzymów? Nie zdradzę jeszcze tu, co mam na myśli, ale jakoś dziwnie kojarzy mi się to z deficytem energii syntezy pierwiastków cięższych od żelaza… Jako badacz poszedł bym tą heretycką ścieżką, a zapewne kiedy okaże się, że Betelgeza eksploduje, to będę pewien, że musimy zmienić rozumienie całej termodynamiki nadolbrzymów. I kochani moi, mam dobre wyjaśnienie tego zjawiska i jeśli będziemy świadkami eksplozji jestem pewien, że trzeba będzie otworzyć tę ścieżkę poszukiwań. Popatrzcie ogromna gwiazda kurczy się, a jej temperatura spada. Jedyne racjonalne wyjaśnienie tego zjawiska jest takie, że gwiazda ma czkawkę i wyrzuciła w ostatnim czasie ogromne ilości materii w przestrzeń kosmiczną tak jak to zrobiła Eta Carinae. Ale wokół Betelgezy nie zaobserwowano śladów po takim „czknięciu gwiazdy”! Jeśli nie pozbyła się materii, a kurczy się tak szybko, to jej temperatura powinna rosnąć, a spada - dziwne. To taki stan nienormalny, który zgodny jest z moją dewizą badacza – to tygrysy lubią najbardziej.

ps2. Tu zamieszczam wpis Kierdela zwracającego uwagę na literaturę przedmiotu której nie uwzględniłem. W CDN napiszę o tym więcej. "Alpejczyku najsłodszy, ależ proszę Cię bardzo! Oto link do jednej z wielu, WIELU prac zajmujących się ewolucją gwiazd masywnych od samego STARTU:

https://arxiv.org/pdf/1401.7322.pdf

Następne możesz sobie łatwo wyguglać (mnie zajęło to ok. minuty). Dla ułatwienia - jeśli miałbyś kłopot ze znalezieniem w pracy, jaki przyjęto początkowy skład chemiczny, na 3. stronie artykułu stoi: "The model assumes solar metallicity (Z=0.014) and initial abundances from Asplund et al. (2009)." Przez Z astrofizycy standardowo oznaczają ułamkową zawartość pierwiastków ciężkich (czyli innych niż wodór i hel).

Swoją drogą, na bilans energetyczny czy mechanizm wybuchu supernowej te początkowe obfitości pierwiastków ciężkich mają mały wpływ, gdyż - jak sam napisałeś - bardzo dużo takich izotopów jest wytwarzane w końcowych fazach ewolucji gwiazdy. Tuż przed wybuchem supernowej dla gwiazdy bez znaczenia jest, czy np. żelazo, które znajduje się w jądrze, pochodzi z materii międzygwiazdowej, z której powstała gwiazda, czy z reakcji termojądrowych, które zaszły wewnątrz gwiazdy. Tego żelaza z fuzji termojądrowej jest wtedy znacznie więcej. Pierwiastki ciężkie mają natomiast zasadnicze znaczenie na strukturę zewnętrznych warstw gwiazdy, gdyż od nich zależy tzw. nieprzezroczystość materii (ang. opacity: https://en.wikipedia.org/wiki/Opacity_(optics) ), a ta ma kolosalny wpływ na absorpcję i reemisję promieniowania przez różne warstwy.

Z Twoich komentarzy wnoszę, że nie znasz żadnej pracy o supernowych, w której nie uwzględniono pierwiastków ciężkich (jeśli się mylę, poproszę o link). Sorry, ale sformułowanie "Nie spotkałem prób rozwiązania problemu, że budulcem gwiaz jest materia 'powybuchowa' " sugeruje czytelnikowi, że spotkałeś prace, w których budulcem gwiazd jest czysty wodór (ewentualnie wodór i hel). Tak chyba nie jest, prawda?... Dlatego Twoje słowa wprowadzają w błąd czytelników.