Mi folyik a Betelgeuse-nél?

2020. február 25. - PFreddy

A téli hónapok folyamán látható Orion csillagkép Betelgeuse nevű csillagának fénye jól (és szabad szemmel is) láthatóan halványodni kezdett az utóbbi időben, ez pedig igencsak felkeltette az érdeklődést a csillag jövőjét illetően. Bár a fényességváltozás nem különösebben egyedi jelenség, annak mértéke nagyon is jelentős volt, ráadásul a folyamat a szemünk előtt történik, így bárki meg is győződhet róla, hogy a vörös csillag veszített fényéből. A Betelgeuse-ről ráadásul köztudott, hogy a szabad szemmel is megfigyelhető csillagok közül minden bizonnyal elsőként fog szupernóvává érni, a drasztikus elhalványulást pedig nem nehéz a közeledő csillagrobbanás előjeleként értelmezni. De vajon tényleg olyan drasztikus mértékű a halványodás, hogy ez már a csillag végét jelentené? Vagy ha most nem is robban fel, előbb-utóbb szem elől fogjuk veszíteni az Orion bal felső sarkát?

pretty-betelgeuse_1024.jpgA Betelgeuse a Digitized Sky Survey 2 felvételén. (Forrás: ESO)

Habár Orion, a Vadász alfájaként (úgyis mint α Orionis) hivatkozik rá a csillagászat, a Betelgeuse saját csillagképén belül is csak a második a fényességi rangsorban a Rigel mögött. A teljes égboltotot tekintve a 10. legfényesebb csillag az éjszakai égen, a hazánkból látható csillagokra szűkítve a listát pedig a 7. Már ha az átlagos fényességét tekintjük, ami 0,5 magnitúdó (a látható fény tartományának közepén mérve) - a Betelgeuse azonban egy vörös szuperóriás és ennek megfelelően 0,2 és 1,2 magnitúdó között ingadozik a fényessége.

lc_betelgeuse.jpgA Betelgeuse fényességének változása az utóbbi tíz év (kb. 3600 nap) folyamán, külön kiemelve fél évet (jobbra). Minden egyes adatpont egy-egy fényességmérés eredménye. (Forrás: Edward Guinan/Wasatonic Observatory)

Gyorstalpaló a magnitúdó-skáláról: a csillagászok általában magnitúdóban adják meg egy objektum fényességét, amely egyrészt logaritmikus (mivel hatalmas fényességkülönbségeket kell leírni, így ez még érthető), másrészt pedig fordított (grrrr....de miért???): vagyis, egy alacsonyabb magnitúdó érték fényesebb objektumot jelent. Az egészért egyfelől egy bizonyos Hipparkhosz nevű, i.e. 2. században élt görög csillagász a felelős, aki 1-től (legfényesebb) 6-ig (leghalványabb) osztályozta az általa megfigyelt csillagokat; másfelől pedig a csillagászat hagyománytisztelete. A modern standard magnitúdóskála a mért sugárzás fluxusának (tehát fizikai mennyiségének) a tízes alapú logaritmusát veszi, megszorozza -2,5-tel, nullpontnak (vagyis 0.0 magnitúdónak) pedig minden hullámhosszon a Vega csillag fényességét választották.

3194723_orig.jpgNéhány csilalgászati objektum elhelyezkedése a magnitúdó-skálán. (Forrás: Sunflower Cosmos)

Az 1 magnitúdós ingadozás tehát nagyjából, 2,5-szeres fényességváltozást jelent, ami drasztikusnak tűnhet, azonban egy vörös szuperóriás esetében, amelynek mérete a Naprendszerével összemérhető,  csak átlagos. A csillag óriásira kitágult külső rétegei ritkásak és jóval alacsonyabb hőmérsékletűek, a kibocsájtott sugárzás pedig érzékeny a változásokra. Az ESO Very Large Telescope obszervatóriumának SPHERE műszerével készült felvételek tanúsága szerint nem csak a Betelgeuse fényessége, de annak alakja is megváltozott. Természetesen nem a csillag maga deformálódott, hanem egy hűvösebb folt képződhetett a külső rétegben, esetleg a frissen keletkezett porszemcséken szóródik ki a fény a látó irányból - a pontos ok egyelőre nem tisztázott.

betelgeuse-shape-change-eso.jpgAz elhalványodás előtt és annak folyamán: a Betelgeuse egyike azon néhány csillagnak, amelyek kiterjedését is megfigyelhetjük az óriástávcsövek segítségével. Jól látható, hogy nem csak a csillag teljes fényessége, de a fényesség felöleti eloszlása is megváltozott. (Forrás: ESO/M. Montarges et al.)

A szuperóriás-fázis a nagy tömegű csillagok utolsó stádiuma a haláluk előtt: a csillagmagban már elfogyott a hidrogén, így jobb híján héliumot éget el, a fúzióból pedig szén és oxigén keletkezik. Amelyekből aztán neon és magnézium keletkezik, amelyekből aztán szilícium keletkezik, amelyből aztán vas keletkezik (nem pont így szépen egyesével, több fúziós lánc fut egymással párhuzamosan). A vasból... aztán nem keletkezik semmi, a fúziója nem jár energiafelszabadulással, így pedig nincs ami ellentartson a gravitációnak. A mag neutroncsillaggá omlik össze, a fölötte lévő rétegek visszapattannak róla, az így keletkezett lökéshullám pedig a frissen létrejött neutrínókkal megtámogatva szétveti a csillagot (mármint azt a részét, amiből nem lett neutroncsillag) - bumm, így lesz a szupernóva (a II-es típusú, mert az I-es egy teljesen más történet).

sanakvo-water-cycle-evolved-star_1.jpgA nagy tömegű csillag magjában hagymahéj-szerkezet alakul ki a különböző elemek fúziója után. A legbelső vasmag fúziója viszont már nem termel energiát, így összeroskad, a hidrogén rétegek pedig befelé zuhannak, amelyet csak a neutroncsillag kialakulása állít meg. Ha az elfajult neutrongáz nyomása sem elegendő, akkor az összeomlás folytatódik és egy fekete lyuk marad vissza a robbanás helyén. (Forrás: Pearson Education)

Ez a sors vár tehát a Betelgeuse-re is a közeljövőben, mármint a következő 100-200.000 évben bármikor - egyelőre nem tudjuk pontosabban megjósolni. Ez többek között azért fordulhat elő, mert meglepően keveset tudunk a csillag jellemzőiről. Mivel nincs társcsillaga vagy ismert bolygója, így a tömegét csak valahová 8 illetve 17 naptömeg közé tudjuk belőni és hasonlóan pontatlanul ismerjük a távolságát (200-600 fényév), valamint ezáltal a valódi (abszolút) fényességét is (90-150.000-szer fényesebb, mint a Nap).

betelgeuse-alma_v2-e15817003985032.jpgAz ALMA rádióteleszkóp-hálózat milliméteres tartományon készült felvétele a Betelgeuse-ről. A csillag olyan óriási, hogy ha a Napot helyettesítenénk vele, még a Jupitert is elnyelné. (Forrás: ESO)

Igaz, valószínűleg akkor se tudnánk évre pontosan megjósolni a robbanás dátumát, ha a Betelgeuse itt ragyogna a szomszédban, és pontosan tudnánk mérni minden rezdülését. Ennek az az oka, hogy a modern tudomány még nem látott közeli, vagyis a saját Galaxisunkban felrobbanó szupernóvát (a legközelebb az SN 1987A járt a Nagy Magellán-felhőben). A Betelgeuse végzete azonban olyan pontos, folytonos, minden hullámhosszra kiterjedő és főként korai (vagyis a robbanás pillanatától kezdődő) mérési eredményekkel szolgálna, amelyek valószínűleg egy csapásra megválaszolnának nyitott kérdéseket a csillagászat számos területéről (kollapszár szupernóvák előzményei és robbanási mechanizmusuk, porképződés, kozmikus részecskegyorsítás - a teljesség igénye nélkül). Sőt, valójában egy teljesen új technikai problémával kellene megbirkóznia a megfigyelőknek: az óriástávcsöveknek egyszerűen túl fényes lenne egy közeli szupernóva.

betelgeuse_sn.pngA Betelgeuse-ből születő szupernóva modellező programokkal végzett fényességbecslése. A számítás igen jelentős bizonytalansággal bír, az azonban biztosnak látszik, hogy a Vénusz fényességét egy jó nagyságrenddel fogja felülmúlni. (Forrás: Jared Goldberg/University of California)

Éppen ezért látványnak sem lenne utolsó. Az utolsó galaktikus szupernóváról Johannes Kepler számolt be: leírása alapján a újonnan felbukkant vendégcsillag hetekig látható volt a nappali égbolton, éjszakánként pedig látványa a Hold fényével vetekedett. Ez pedig nem költői túlzás, a becslések alapján a felrobbanó Betelgeuse-nél kb. 100 napig tényleg csak telehold lenne fényesebb az éjszakai égen - életre szóló élmény lenne, az egyszer biztos (a precíz csillagászati méréseknek meg pár hónapig biztos lőttek...). Mindezt pedig teljesen biztonságos távolságból szemlélhetnénk, mivel a csillag forgástengelye nem a mi irányunkba mutat, így nem kellene aggódnunk a gamma-fotonok gyilkos hulláma miatt, hiszen csak a kb. 50 fényéves távolság számít halálzónának (bár ez sem ismert pontosan, közeli szupernóva híján). A Naprendszer közelében egyébként nincs olyan csillag, amely felrobbanhatna, szóval az ilyesmivel riogató cikkeket lehet is hanyagolni.

emdhds2xyaavxyd.jpgNémi támpont, miként nézne ki az éjszaka a Betelgeuse felrobbanását követően.

Azonban arra is csekély esély mutatkozik, hogy a Betelgeuse tűzijátékára még a mi életünk folyamán sor kerüljön. A csillag mostani (az átlagos fényességétől mérve) 1,2 magnitúdós elhalványodása ugyan extrémnek számít, de egyáltalán nem példanélküli a vörös szuperóriások világában, ahol a különböző pulzációs periódusok egymásra rakódása ideiglenesen felerősíthetik a hatásaikat. A fényességcsökkenés üteme már most is egyre lassabb, a pulzációs periódusokat figyelembe vevő Fourier-analízisre alapuló előrejelzések szerint pedig a február végére meg is áll majd, hogy aztán lassanként minden visszatérjen a rendes kerékvágásba.

betelgeuse-light-curve-general.jpgA februári mérések (jobb alsó sarok) alapján úgy tűnik, hogy a Betelgeuse újra fényesedő üzemmódba kapcsolt. (Forrás: AAVSO)

Sőt: mire ez a bejegyzés élesítésre került, a felfényesedés már kimutathatóan elkezdődött. Az elméleti előrejelzések tehát jelesre vizsgáztak, a tűzijáték viszont elmaradt. Talán majd legközelebb nagyobb szerencsénk lesz; esetleg egy másik csillag hozza el a várva várt szupernóvát - elvégre a statisztika szerint 30-40 évente robban fel egy a Galaxisban...

Addig is telente be kell érnünk a Betelgeuse apró, narancssárgás látványával az Orion felső csücskén.

bujocska_orion4.jpgBújócska az Orion-nal... az ágak között sárgás fénnyel ott figyel a Betelgeuse. (Kép: Lengyel Bálint)

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr5815491082

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Talasz 2020.02.26. 12:46:10

Tudjuk, hogy a helium elfogyasztása után öszzeomlás jön----mindez mérhető, tehát nem értem a csendesîtô sorokat adat nélkül.....

PFreddy 2020.02.26. 13:01:19

@Talasz: A csillag magjában lévő hélium mennyiségét nem tudjuk pontosan mérni, legfeljebb olyan kvalitatív becsléseket tudunk tenni, amelyek a fentebb is emlgetett "majd valamikor a következő 100000 évben felrobban" következtetéshez vezetnek.

Kopi3.14 2020.02.26. 13:21:56

Fordnak tegyünk félre egy törölközőt, vagy megoldja egyedül?

PFreddy 2020.02.26. 13:23:11

@Kopi3.14: Ú, ezt a referenciát kihagytam, pedig tényleg bele akartam írni...

korxi 2020.02.27. 12:58:50

Én nem azt akarom hogy most robbanjon, én ezt remélem hogy annyi évvel ezelőtt robbant, mint amennyi fényévre van:)

korxi 2020.03.03. 20:53:31

Ezek a vörös óriások egyébként szoktak anyagkidobódást produkálni?
Mert ha igen, akkor lehet hogy csak egy ilyen történt, csak éppen most pont a mi látóirányunkba, és a kidobódott anyag takarja (részlegesen) a csillagot, amíg el nem oszlik. Ez megmagyarázná a hirtelen és nagymértékű fényességcsökkenést. Sőt még ezt a 'megváltozott az alakja is' dolgot.

MakoG 2020.03.08. 12:33:05

Az tényleg igaz, hogy a kilökött neutrínókat pár órával korábban lehetne észlelni, mint látni, ahogy felrobban? Ha igaz, akkor erre mi a magyarázat?

PFreddy 2020.03.08. 22:11:05

@korxi: Anyagkidobódások is vannak, de egy ilyen tipikusan növelné a megfigyelt fényességet (legalábbis bizonyos hullámhosszakon). Viszont egy, a közelben keletkezett porfelhő, ami "bepofátlankodott" a Betelgeuse elé, simán okozhat ilyen változást.
Hamarosan majd megírják a hozzáértők, hogy mi lehetett a valós ok. Mivel az egyik pulzációs modell szépen megjósolta a visszafényesedés időpontját, így gyanítom, hogy "csak" egy pulzáció keltette hűvösebb folt lehetett a hunyó.

PFreddy 2020.03.08. 22:28:54

@MakoG: Valóban, az SN1987A esetében is előbb észlelték a neutrínókat, mint a robbanás fényét.
Ennek az az oka, hogy a neutrnók a robbanás pillanatától kezdve záporoznak, míg a szupernóva fénye fokozatosan erősödik. Vagyis az elcsípett neutrínók előbb indultak, mint az első észlelt fotonok, mivel némi időnek el kellett telnie, hogy a szupernóva elég fényes legyen ahhoz, hogy felfedezhessük.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.03.15. 17:01:11

Ezt már egyszer letárgyaltuk, hogy a visszapattanás elmélet hülyeség. Vissza akkor pattanna, ha gyorsulva zuhannának be a külső rétegek és rugalmas ütközés lenne. De mivel a nyomást a külső rétegek súlya okozza, (jó öreg Newton) a felforrósodást pedig a gravitációs nyomás által kifejtett térfogati munka, ezért nincs rugalmas ütközés. Az alapvető mechanizmus a Si28+Si28 -> Ni56 majd Ni56 + e -> Fe56 + durva gamma amely késleltetve jelenik meg és ez veti szét a csillagot. Kvázi a betárolt fúziós energia (Ni56) és az ahhoz hozzáadódó térfogati munka késve megjelenése. (felezési idő)

PFreddy 2020.03.15. 18:00:34

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll: Attól hogy közel száz kommentet írtunk a két különféle szupernóvatípust magyarázó lehetséges elméletekről, még nem tárgyaltunk le semmi ilyesmit, amit állítasz. Átfutva a beszélgetést, minden felvetésedre igyekeztem találni szakirodalmat, amelyben mind elméleti szimulációk, mint pedig megfigyelési eredmények találhatóak. Ezek pedig alátámasztják, hogy a II-es típusú szupernóvák esetében a core-collapse model helytálló. Kérlek, idézd fel ezeket a szakmai anyagokat, mert anélkül ez az eszmecsere egy végtelenített körré válik.

Ha valakit érdekelne a beszélgetés:
csillagvizsgalo.blog.hu/2017/06/03/gravitacios_hullamok_harmadszor_is
csillagvizsgalo.blog.hu/2017/08/06/a_legkisebb_csillag

"Vissza akkor pattanna, ha gyorsulva zuhannának be a külső rétegek és rugalmas ütközés lenne."

Az extrém fizikai körülmények között már egy kicsit több kell a plazma dinamikájának a leírásához, mint a rugalams/rugalmatlan ütközési törvények. A "visszapattanás" (bouncing) még mindig a legjobb, köznapi értelemben vett fogalom, amivel szemléltethető a folyamat. Lásd egyszerűbb szemléltetés:

en.wikipedia.org/wiki/Type_II_supernova

"De mivel a nyomást a külső rétegek súlya okozza, (jó öreg Newton) a felforrósodást pedig a gravitációs nyomás által kifejtett térfogati munka, ezért nincs rugalmas ütközés."

A nyomást a külső rétegek súlya ÉS a belső rétegekből érkező sugárnyomás egyszerre kelti, ezek tartanak nagyjából egyensúlyt a csillag élete során. Miután lecsökken a sugárnyomás (mert a fúzió már nem elégséges), a külső rétegek megindulnak befelé. Az extrém nyomás hatására a magban beindul a neutronizáció, kialakul a neutroncsillag, és az ebbe beleütköző külső rétegekben kiindul egy nyomáshullám (shock wave). Erre használjuk a visszapattanás kifejezést - ne úgy képzeld el mint egy gumilabdát, vagy egy rugalmas ütközést.
Mellesleg ez még nem is a teljes sztori, mert a nyomáshullám (valószínűleg) önmagában elhalna. Itt lépnek képbe (megint csak valószínűleg) a frissen keletkezett neutrínók, amelyek újra berúgják a lökéshullámot.

A leírás még nem teljes, ám mindenre van már elmleti magyarázat (néhol több is) és kijelenthető hogy a kollapszár (core-collapse) model helyes. Ezt pedig a megfigyelések is alátámasztják (lásd pl. SN 1987A).

"Az alapvető mechanizmus a Si28+Si28 -> Ni56 majd Ni56 + e -> Fe56 + durva gamma amely késleltetve jelenik meg és ez veti szét a csillagot. Kvázi a betárolt fúziós energia (Ni56) és az ahhoz hozzáadódó térfogati munka késve megjelenése. (felezési idő) "

Épp a felezési idő az, ami ezt az egész felvetést zárójelbe teszi: a robbanás maga nagyon rövid idő (~percek) alatt zajlik le. Az 56Ni bomlásából származó energia csak az az követő napokban, hetekben fűti a táguló burkot (és látjuk ezért egyre fényesebbnek), önmagában képtelen lenne szétvetni a csillag burkát.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll 2020.03.15. 23:23:08

@PFreddy: Egy apró ellenvetés. Degenerált elektronpályák mellett, a neutrínó párkeltéshez bőven elegendő energia sűrűség mellett milyen alapon gondoljuk hogy a Ni56+2e- -> Fe56 folyamat sebessége ugyanaz mint földi körülmények között?

PFreddy 2020.03.16. 01:44:02

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:

"The probability of a nuclide decaying due to beta and other forms of decay is determined by its nuclear binding energy. "
Bővebb kifejtés:
www.elsevier.com/books/nuclear-and-radiochemistry/konya/978-0-12-391430-9
Vagyis a béta+ bomlás sebessége ily módon nem függ a külső körülményektől.

adsabs.harvard.edu/full/1994ApJS...92..527N
nucleardata.nuclear.lu.se/toi/nuclide.asp?iZA=280056
isnap.nd.edu/assets/250195/radioactivity_lecture_10.pdf

Ugyanakkor, nagy energiákra gyorsított 56Ni atom(mag)ok, elveszíthetnek jónéhány, vagy akár az összes össze elektronjukat, ilyenkor azonban a felezési idő nőni fog, nem pedig csökken.
Tipikusan ez a helyzet pl. a kozmikus sugárzás estében, amelyek az egyik forrása véletlenül éppen a szupernóvák, ez azonban jóval a robbanás után lejátszódó folyamat.

adsabs.harvard.edu/full/1990ICRC....4...48N

Olyan folyamatról nincs tudomásom, ahol a béta+ bomlás sebessége gyorsabb lenne (vagyis a felezési idő rövidebb).