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Eine neue Studie sagt, dass Beteigeuze in absehbarer Zeit nicht explodieren wird

Ich habe an klaren Abenden unter Orion The Hunter gestanden und gewillt, dass sein Stern Beteigeuze explodiert.'Komm, sprenge!'Ende 2019 erlebte Beteigeuze ein beispielloses Dimmereignis, bei dem die Helligkeit um 1,6 auf 1/3 der maximalen Helligkeit sank. Astronomen fragten sich – war diese Verdunkelung ein Vorläufer der Supernova? Wie kosmisch schön wäre es, den Moment der Explosion von Beteigeuze mitzuerleben. Der Stern zerreißt in einem Lichtblitz, der die Samen von Planeten, Monden und möglicherweise Leben im gesamten Universum verstreut. Kreative Katastrophe.

Nur etwa zehn Supernovae wurden in der gesamten aufgezeichneten Geschichte mit bloßem Auge gesehen. Jetzt können wir mit Teleskopen alte astronomische Aufzeichnungen überdenken, um Supernova-Überreste wie den Brillanten zu entdecken SN 1006 (bezeugt im Jahr 1006 n. Chr.), deren Explosion eines der hellsten Objekte erzeugte, die je am Himmel gesehen wurden. Bedauerlicherweise, neueste Forschung legt nahe wir alle könnten noch 100.000 Jahre warten, bis Beteigeuze auftaucht. Die Untersuchung dieses jüngsten Verdunkelungsereignisses hat jedoch neue Informationen über Beteigeuze gewonnen, die uns helfen können, Sterne in einem Prä-Supernova-Zustand besser zu verstehen.

Dieses Vergleichsbild zeigt Beteigeuze vor und nach ihrer beispiellosen Verdunkelung
ESO / M. Montargès et al.

Balancieren auf der Schulter eines Riesen

Beteigeuze, AKA Alpha Orionis, ist ein Red Supergiant-Star. Sein Name leitet sich vom arabischen Wort „bat al-jawz‘“ ab, was übersetzt „die Schulter des Riesen“ bedeutet, da der Stern die linke Schulter des Orion bildet (möglicherweise von Replikant „Roy“ in seinem 'Tränen im Regen' Monolog aus dem Film Bladerunner) . Ihr ganzes Leben lang kämpfen Sterne darum, mit der äußeren Kraft ihrer eigenen Energie gegen die nach innen gerichtete Kraft ihrer eigenen Schwerkraft auszubalancieren – ein Zustand, der als . bekannt ist hydrostatisches Gleichgewicht . Jede Störung dieses Gleichgewichts verursacht Veränderungen im Stern – einige dramatisch, andere katastrophal.

Sternbild Orion durch einen 'Mond Halo' gesehen, der durch Mondlicht verursacht wird, das auf Eiskristalle in großer Höhe trifft. Der eingekreiste Stern ist Beteigeuze. Sie können nur den rötlichen Schimmer des Sterns erkennen. C. Matthew Cimone

Die Schwerkraft ist sowohl der Anfang als auch das Ende eines Sterns. Die Schwerkraft zieht das Rohmaterial an, um einen Stern zu erzeugen, Wasserstoffgas aus der interstellaren Leere, und zerkleinert es zusammen. Komprimiert und erhitzt zündet der Wasserstoff eine Kernfusion im Kern des Sterns (der Kern unserer Sonne umfasst 1/4 seines Radius), die Energie nach außen gegen die äußeren Schichten des Sterns abstrahlt. Solange ein Stern mit Wasserstoff versorgt wird, kann er sein Eigengewicht tragen und erreicht eine ausgeglichene Kugel. Sobald der Treibstoff aus ist, wird die Schwerkraft auch dem Leben des Sterns ein vernichtendes Ende bereiten. Sterne in der Wasserstoffkernverbrennungsphase ihres Lebens werden in der „Main Sequence“ – einem Begriff aus der Hertzsprung-Russel (HR)-Diagramm (unter).

Anpassung des HR-Diagramms durch Wikipedia-Benutzer

Das HR-Diagramm hilft uns, die Lebensphase eines bestimmten Sterns anhand seiner Größe (Helligkeit – Y-Achse) und seiner Farbe oder seines Spektraltyps (zugewiesen durch eine Buchstabenkategorie – X-Achse) zu bestimmen. Alle Sterne, die Wasserstoff brennen, fallen auf die „ S“-förmige zentrale „Main Sequence“ in diesem Diagramm. Stellen Sie es sich wie die besten Erwachsenenjahre eines Stars vor. Unsere eigene Sonne fällt als „Yellow Dwarf“-Stern der Klasse G auf die Hauptreihe. Es verbrennt immer noch Wasserstoff und wird es noch ein paar Milliarden Jahre lang sein (lassen Sie sich von niemandem eine Sonnenversicherung verkaufen). Sobald jedoch der Wasserstoff-Brennstoff im Kern eines Sterns erschöpft ist, gerät das Gleichgewicht aus dem Gleichgewicht. Der Energieabfluss verlangsamt sich und die Schwerkraft beginnt, den Kern des Sterns zu zerquetschen. Hier bekommt ein Star ein zweites Leben – wenn auch in neuer Form.

Das Zerquetschen des Kerns erhöht die Temperatur des Kerns. Die erhöhte Temperatur strahlt nach außen zu Wasserstoffvorräten, die in Schichten außerhalb des Kerns verblieben waren, die zuvor zu kalt waren, um eine Fusion zu erreichen. Diese Hülle aus Wasserstoff außerhalb des Kerns entzündet sich nun, aber das Verbrennen dieser äußeren, flacheren Schicht lässt den Stern anschwellen. Da sich die äußeren Schichten nach außen ausdehnen, ist die Oberfläche des Sterns nun weiter vom Kern entfernt und über eine größere Fläche verteilt, wodurch er sich abkühlt und rot wird (Sterne sind röter, wenn sie kühler sind, blauer, wenn sie heißer sind) . Der Stern „entwickelt“ sich zu einem Roten Riesen (oder Roten SUPERriesen für sehr massereiche helle Sterne). Wenn der Stern massiv genug ist, wird bei steigenden Temperaturen im Kern auch Helium entzündet, das sich als Nebenprodukt des brennenden Wasserstoffs angesammelt hat. Einst die „Asche“, wird das Helium nun zu einem sekundären „Not“-Brennstoff im verlorenen Kampf gegen die Schwerkraft.

Der Nebelrest des Sterns, der die Supernova 100 erzeugte, gesehen vom Chandra-Röntgenobservatorium. Die Explosion ereignete sich 7.200 Lichtjahre von der Erde entfernt. Im Jahr 1006 n. Chr. im ganzen Werk bezeugt, schuf es eines der hellsten Objekte, die je in der Menschheitsgeschichte gesehen wurden.
C. Smithsonian Institution

Als Roter Riese verschiebt sich die Position des Sterns auf dem HR-Diagramm zu einer der 'Riesen' -Familien, die als verzweigte Stängel vom 'S' der Hauptsequenz wachsen. Es ist jetzt heller (höher auf der Y-Achse) und röter (weiter rechts auf der X-Achse). So können wir beispielsweise einen Roten Zwerg der Klasse M von einem Roten Riesen der Klasse M unterscheiden. Ein Roter Zwerg und ein Roter Riese können farblich die gleiche Position auf der X-Achse einnehmen, aber der Riese wird viel heller und daher auf der Y-Achse in einem der Riesenäste höher sein. Rote Supergaints wie Beteigeuze befinden sich in der Endphase ihres Lebens. Das bedeutet nicht unbedingt, dass sie ein langes Leben gelebt haben – nur, dass sie sich in der Endphase ihres Lebens befindenbesitzenLeben. Beteigeuze hat einen Bruchteil der Lebenszeit unserer Sonne gelebt, obwohl sie viel massiver ist. Man würde meinen, größerer Stern = mehr Brennstoff zum Verbrennen, aber größere Sterne brennen die Kerze an beiden Enden. Um das Gleichgewicht mit ihrer enormen Masse zu halten, verbrennen sie Wasserstoff viel schneller als ihre Gegenstücke mit geringerer Masse.

Ein atmender Stern

Aber Beteigeuze hat noch kein neues stabiles Gleichgewicht erreicht. Der Stern pulsiert in der Helligkeit und wird daher als „variabler Stern“ eingestuft. Das Verständnis der Ursache oder des „Modus“ der Variabilität ermöglicht es den Forschern, mehrere wichtige physikalische Eigenschaften von Beteigeuze zu bestimmen – der Schwerpunkt der neueste Veröffentlichung von Dr. Meredith Joyce von der Australian National University, Dr. Shing-Chi Leung von CalTech und Dr. Chiaki Kobayashi außerordentlicher Professor an der University of Hertfordshire.

Beteigeuze dimmt immer noch! – Universe Today Video von Fraser Cain

Die Variabilität eines Sterns ist entweder extrinsisch oder intrinsisch. Extrinsische Variabilität ist eine Änderung der Helligkeit aufgrund einer externen Quelle. Das Verfinstern von Doppelsternen ist eine häufige extrinsische Variabilität, da ein Stern das Licht eines Begleitsterns blockiert. Intrinsische Variabilität wird durch etwas innerhalb des Sterns selbst verursacht. Die jüngsten Forschungen zu Beteigeuze, inspiriert von der dramatischen Verdunkelung des Sterns Ende 2019, versuchten festzustellen, ob das Ereignis intrinsischer oder extrinsischer Natur war. Aktualisierte Beobachtungen der regelmäßigen Pulse von Beteigeuze ermöglichten es den Forschern zu bestätigen, dass die Hauptursache für die Variabilität etwas ist, das als bezeichnet wird „Kappa-Mechanismus“ was das Gleichgewicht des Sterns destabilisiert, was im Wesentlichen dazu führt, dass Beteigeuze „atmet“, während er in Größe und Helligkeit anschwillt und schrumpft.

Abb. 1 von Joyce et al. 2020: Der „Atem“ von Beteigeuze über zwanzig Jahre. Beachten Sie den beispiellosen Rückgang in Richtung 2019. C. ESO/M. Montargès et al. – Beschreibung durch Autor

Was ist also der Kappa-Mechanismus? Sterne bestehen aus ionisiertem Gas. Wenn Sie Wasserstoffgas in einem Stern überhitzen, werden den Wasserstoffatomen Elektronen entrissen – der Prozess der Ionisierung –, der den Stern in eine brodelnde Suppe frei fliegender Elektronen namens Plasma verwandelt. Plasma macht 99% des sichtbaren Universums aus (uns nicht ionisiertes Plasma ist eigentlich die Seltenheit im Weltraum).

Die Ionisation ist jedoch nicht durch einen ganzen Stern hindurch einheitlich und existiert in mehreren Schichten unterschiedlicher partieller Ionisation. Ein wesentliches Merkmal vonteilweiseionisierter Wasserstoff ist, dass der Wasserstoff im Vergleich zu den umgebenden Schichten undurchsichtiger wird, wenn er komprimiert wird. Diese Schichten aus undurchsichtigem, teilweise ionisiertem Wasserstoff können Energie isolieren und einfangen, wenn die Energie versucht, sich vom Kern zur Oberfläche zu bewegen. In Hauptreihensternen möchte diese eingeschlossene Energie diese undurchsichtigen Schichten nach oben drücken, aber es gibt zu viel von der dichten Masse des Sterns darüber, um sich zu bewegen. Irgendwann findet die gefangene Energie andere Wege an die Oberfläche oder die ungleichmäßige Ionisierung wird beim Aufwirbeln des Sterns ausgeglichen.

Warum Red Giants expandieren – Universe Today Video von Fraser Cain

Wenn sich ein Stern jedoch zu einem Roten Riesen ausdehnt, steigen diese undurchsichtigen Schichten partieller Ionisation näher an die Oberfläche des Sterns, wo sie sich freier bewegen können. Bei mehr Bewegungsfreiheit wird die Schicht, wenn genügend Energie unter dem undurchsichtigen Isoliergas eingeschlossen ist, nach oben gedrückt und drückt gegen die Oberfläche des Sterns, wodurch der Stern weiter anschwillt. Wenn sich die Schicht ausdehnt, wird sie weniger komprimiert, weniger opak und transparenter für Energie, wodurch die eingeschlossene Energie durch die Oberfläche in den Weltraum entweichen kann. Nachdem sie Energie verloren hat, verliert die Schicht an Schwung und fällt zurück zum Stern, wo sie erneut komprimiert und unter der Oberfläche des Sterns undurchsichtig wird. Stellen Sie es sich wie das Dampfventil eines Wasserkochers vor. Es baut sich genug Dampf auf, das Ventil wird zum Öffnen nach oben gedrückt, der Dampf wird abgelassen, dann fällt das Ventil und schließt. Mit jedem Puls ändert sich der Stern in Radius und Helligkeit. Die Funktion dieses undurchsichtigen teilweise ionisierten Gases beim Verursachen der Pulsation ist der Kappa-Mechanismus. So funktioniert der Zyklus:

A) Die Evolution zum Roten Riesen löst den Kappa-Mechanismus aus

Der Stern dehnt sich zu einem Roten Riesen aus, während der Kern seinen Wasserstoffbrennstoff verbrennt
Die Expansion bewirkt, dass Schichten partieller Ionisation in geringere Tiefen innerhalb des Sterns ansteigen
Wenn sich die Oberfläche des Sterns nach außen ausdehnt, wird sie vom Impuls am Gravitationsgleichgewicht des Sterns vorbeigetragen, wo sie sich verlangsamt und nach innen zurückfällt.

B) Zyklus des Kappa-Mechanismus

Der einfallende Stern komprimiert Schichten aus teilweise ionisiertem Wasserstoff in der Nähe der Sternoberfläche. Die Kompression macht diese Schichten undurchsichtiger und fängt die darunter liegende Energie ein
Der Stern zieht sich weiter zusammen, bis die Opazität der teilionisierten Schichten ein Maximum erreicht. Schließlich ist genug Energie unter den undurchsichtigen Schichten eingeschlossen, um die Dynamik des Kollapses zu überwinden.
Hier ist der Stern im Radius am kompaktesten und wird im Zyklus am heißesten und hellsten
Die komprimierte undurchsichtige Schicht hört nun auf zu fallen und beginnt ihre Richtung in Richtung der Oberfläche umzukehren, die durch die darunter eingeschlossene Energie gegen die Schwerkraft nach außen gedrückt wird.
Die sich ausdehnende undurchsichtige Schicht drückt gegen die Oberfläche des Sterns, wodurch der Stern anschwillt. Die sich ausdehnenden undurchsichtigen Schichten werden weniger komprimiert und transparenter und geben eingeschlossene Energie frei. Wenn der Stern am stärksten ausgedehnt ist, ist er der kühlste und dunkelste im Zyklus
Die äußeren Schichten des Sterns verlieren schließlich an Schwung und fallen nach innen zurück, um den Zyklus erneut bei Schritt 4) zu beginnen.

Stellen Sie sich vor, Sie schweben in der Nähe der Oberfläche eines Roten Überriesen, der millionenfach so groß ist wie die Sonne, und beobachten, wie sich seine äußeren Schichten ausdehnen und zusammenziehen. Die Oberfläche des Sterns kann sich bis zu einem Kilometer pro Sekunde bewegen! Ein Gigant, der jedes Jahr einen riesigen Atemzug nimmt.

Die Forscher verwendeten Computermodelle, um zu bestätigen, dass der Kappa-Mechanismus für einen 416-Tage-Zyklus oder eine Periode der Helligkeit von Betelguese verantwortlich ist. Das virtuelle Modell konnte jedoch keine zweite 185-Tage-Periode und eine längere 2365-Tage-Periode reproduzieren, die das Forschungsteam physisch im Stern selbst beobachtete. Es ist möglich, dass der Kappa-Mechanismus mit anderen intrinsischen Eigenschaften des Sterns interagiert, um einen anderen Modus in der Variabilität des Sterns zu erzeugen. Die Forscher kommen daher zu dem Schluss, dass Beteigeuze ein „Double Mode Variable Star“ ist.

Der kürzere Zeitraum von 185 Tagen wird als an . eingestuft 'Oberton' im Pulsieren des Sterns. Das Wort „Ton“ ist passend, weil die Wellen durch den Stern im Wesentlichen Schallwellen im brodelnden Plasma sind. Der Zeitraum von 2365 Tagen wird als LSP oder Long-Secondary-Periode bezeichnet. Der Ursprung dieser beiden anderen Perioden ist nicht ganz klar. Die Forscher ermutigen dazu, in Zukunft ausgefeiltere Computermodelle zu entwickeln, um die anderen Perioden des Sterns weiter zu untersuchen.

Ich versuche, den Kappa-Mechanismus mit einer Lavalampe der NASA zu demonstrieren c. Matthew Cimone

Es gibt einen sehr schmalen Bereich im HR-Diagramm, in dem veränderliche Sterne existieren, der als „Instabilitätsstreifen“ bekannt ist. Es ist möglich, dass sich einige Sterne mit zunehmendem Alter weiterentwickelndurchdieser Streifen, bis er auf der anderen Seite einen neuen Gleichgewichtspunkt erreicht, an dem der Pulsationsmodus verringert oder die Pulse verstärkt werden, bis der Stern seine äußeren Schichten vollständig abbläst.

Da Beteigeuze immer noch pulsiert, stellen die Forscher fest, dass sich der Stern wahrscheinlich früh in der Heliumverbrennungsphase seines Übergangs zu einem Roten Überriesen befindet und wahrscheinlich weitere 100.000 Jahre weiterbrennen könnte, bis die Schwerkraft vollständig gewinnt und der Stern zu einer Supernova kollabiert.

Der schmale Streifen „Instabilität“, in dem sich veränderliche Sterne befinden. C. Wikipedia-Benutzer Wieder

Eine Spur stellarer Dominosteine

Die Pulse von Beteigeuze ermöglichen es den Forschern, andere Informationen über die allgemeinen Eigenschaften des Sterns wie den Radius des Sterns abzuleiten. Wir wissen, dass die Pulse durch den Stern wandern, was eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt, die durch die Pulsperiode angegeben wird. Die Forscher können allgemein berechnen, mit welcher Geschwindigkeit sich die Pulse bewegen (die Geschwindigkeit des „Schalls“ angesichts der Dichte von Beteigeuze) und das Timing der Periode verwenden, um zu bestimmen, welche Entfernung sie durch den Stern zurückgelegt haben. Mit diesen Berechnungen wurde Beteigeuze auf 764 Sonnenradien (764-facher Sonnenradius) aktualisiert, was etwa 66% der vorherigen Schätzungen entspricht.

Der Radius von Beteigeuze ist bekanntlich schwer zu berechnen, da er im Gegensatz zu unserer eigenen Sonne einer der perfekt kugelförmig Objekte im Sonnensystem, die Photosphäre oder Oberfläche von Beteigeuze ist ziemlich „unscharf“. Rote Riesen sind eher Sternenwolken als Kugeln. Die Oberfläche von Beteigeuze weist auch Ausbuchtungen auf, die sich über Hunderte von Millionen Kilometern erstrecken, während sie sich in ihrer Roten Riesenigkeit aufbläht. Obwohl der neue Radius des Sterns kleiner ist als ursprünglich angenommen, würde seine Oberfläche immer noch über den Mars und in den Asteroidengürtel reichen, wenn er im Zentrum unseres Sonnensystems platziert würde.

Beteigeuze ist so groß und so nah, dass es einer der wenigen Sterne ist, die wir neben unserem tatsächlich in eine Kugelform auflösen können. Dies ist eines der höchstaufgelösten Bilder von Beteigeuze, die sogar aufgenommen wurden. Beachten Sie, dass der Stern weniger kugelförmig und 'nebelhafter / klebriger' ist, der für Red Giants charakteristisch ist. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella)

Wie bei Astronomie-Dominosteinen bietet jede von uns aktualisierte Statistik über Beteigeuze wichtige Erkenntnisse für andere. Mit einem aktualisierten Radius können wir unsere Entfernung zu Beteigeuze basierend darauf neu berechnen, wie „breit“ es an unserem Himmel erscheint. Mit einem kleineren Radius muss Beteigeuze näher sein als gedacht, was den Roten Überriesen auf etwa 530 Lichtjahre bringt. Obwohl er 25 % näher ist als ältere Berechnungen, ist der Stern immer noch zu weit entfernt, um uns zu töten, wenn er explodiert. Gut zu wissen.

Schließlich wogen Forscher unseren Nachbarriesen. Wir haben ein allgemeines Gefühl für die Geschwindigkeit, mit der Beteigeuze Masse an den Weltraum verliert – derzeit etwa alle Millionen Jahre etwa eine Sonnenmasse –, die in den Kosmos geblasen wird. Experimentieren durch Simulation mit verschiedenen 'Vorläufer'- oder Startmassen, als Beteigeuze ein junger Hauptreihenstern war, läuft die Simulation in der Zeit vorwärts, bis der Stern Kappa-Mechanismus-Pulsationen aufweist. Beteigeuze kippt die Skala bei 16,5-19 Sonnenmassen (der Masse unserer Sonne) mit einer Vorläufermasse von 18-21. Diese Simulationen belegen auch, dass Beteigeuze wahrscheinlich nur 7-11 Millionen Jahre alt ist. Stellen Sie sich das vor – Beteigeuze ist ein TAUSENDSTEL so alt wie unser eigener Stern und steht kurz vor dem Explodieren. Sterne wie Beteigeuze sind ein flüchtiger Funke in der kosmischen Zeit.

Ein Licht durch die Dunkelheit

Bei all den neuen Informationen über Beteigeuze haben wir immer noch ein Rätsel. Was hat das Dimmereignis Ende 2019 ausgelöst? Wenn Beteigeuze noch Jahrtausende vor seinem großartigen Tod hat, was ist dann passiert? Zwei mögliche Antworten: Die Kombination mehrerer Variabilitätsmodi in Beteigeuze ausgerichtet, um das Dimmen der üblichen Variabilität zu verbessern. Wie das Fallen mehrerer Steine in einen Teich können die Wellen manchmal zu größeren Wellen verschmelzen oder sich tatsächlich gegenseitig aufheben. Vielleicht haben wir solche Ereignisse miterlebt. Oder, eine andere wahrscheinliche Ursache, eine massive Staubwolke bewegte sich zwischen uns und Beteigeuze, die vorübergehend einen Teil des Lichts des Sterns blockierte – eher ein extrinsisches als ein intrinsisches Verdunkelungsereignis.

Während unsere Sonne während ihrer äonenlangen Reise um die Milchstraße wahrscheinlich viele Sternexplosionen gesehen hat, ist eine Supernova für unsere eigene begrenzte menschliche Lebensdauer erstaunlich. Die Explosion von Beteigeuze wäre hell genug, um zu wirken Schatten in der Nacht . Es wäre sogar tagsüber sichtbar. Die Explosion würde in den kommenden Monaten langsam nachlassen. Nach einem Jahr würde die Schulter des Orion mit bloßem Auge verschwinden. Dafür werde ich wahrscheinlich nicht da sein, aber jemand wird es tun. Wir mögen uns für ziemlich vergänglich halten, aber das gilt auch für den Himmel selbst – Sterne, die wie „Tränen im Regen“ im Nebel von Raum und Zeit verblassen.

Bild der Supernova 1994D in der Galaxie NGC 4526. Supernovae sind so hell, dass man sie sogar in weit entfernten Galaxien explodieren sehen kann – diese hier ist 55 Millionen Lichtjahre entfernt. Es ist möglich, dass eine Supernova die gesamte Wirtsgalaxie in den Schatten stellt – ein letzter Glanz des Ruhms. C. NASA/Hubble/ESA