Ukryty partner Betelgezy zdradzony przez kosmiczny „kilwater”

Nowe obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz naziemnych obserwatoriów potwierdziły, że Betelgeza – jedna z najsłynniejszych gwiazd na niebie – ma ukrytą towarzyszkę. Astronomowie po raz pierwszy wykryli ślad po jej ruchu w rozległej atmosferze czerwonego nadolbrzyma. Odkrycie wyjaśnia część dziwnych zachowań Betelgezy, w tym długookresowe zmiany jasności, i dostarcza wyjątkowego laboratorium do badania tego, jak masywne gwiazdy kończą życie jako supernowe.

Betelgeza – czerwony olbrzym w centrum uwagi

Betelgeza, jasna czerwonawa gwiazda w gwiazdozbiorze Oriona, znajduje się około 650 lat świetlnych od Ziemi. Jest czerwonym nadolbrzymem tak ogromnym, że w jej wnętrzu zmieściłoby się ponad 400 milionów Słońc. To jeden z nielicznych przypadków, w których astronomowie są w stanie bezpośrednio obserwować powierzchnię i otoczkę gwiazdy – nie tylko punkt światła, ale rzeczywistą strukturę jej atmosfery.

Od lat Betelgeza przyciąga uwagę badaczy. Zmienia jasność, wykazuje nieregularne struktury na powierzchni, a na przełomie 2019/2020 roku gwałtownie pociemniała, co wywołało falę spekulacji, że może wkrótce wybuchnąć jako supernowa. Dziś wiemy, że to „wielkie pociemnienie” było spowodowany wyrzutem materii i powstaniem pyłowej chmury, która na pewien czas przesłoniła gwiazdę, ale w jej zachowaniu wciąż pozostawały zagadki.

Tajemniczy długi cykl – ślad niewidocznego towarzysza

Betelgeza od dawna znana jest z dwóch charakterystycznych okresów zmienności jasności. Krótszy, około 400-dniowy, wiąże się z pulsacjami samej gwiazdy – jej rytmicznym kurczeniem się i rozszerzaniem. Znacznie trudniejszy do wyjaśnienia był drugi, dłuższy cykl, trwający około 2100 dni, czyli blisko sześć lat.

Przez dekady rozważano różne możliwości: gigantyczne komórki konwekcyjne, zmiany pola magnetycznego, nieregularne wyrzuty materii czy złożone struktury pyłowe. Jednym z coraz poważniej traktowanych scenariuszy była obecność towarzyszącej, mniej masywnej gwiazdy orbitującej wewnątrz rozległej atmosfery Betelgezy. Brakowało jednak twardego, obserwacyjnego dowodu.

Nowe wyniki, zaprezentowane na 247. posiedzeniu American Astronomical Society w Phoenix i przyjęte do publikacji w The Astrophysical Journal, tę lukę wypełniły.

Hubble i teleskopy naziemne widzą kilwater w atmosferze gwiazdy

Jak obserwuje się coś, czego nie widać?

Zespół badawczy z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, kierowany przez Andreę Dupree, śledził przez blisko osiem lat subtelne zmiany w świetle Betelgezy. Wykorzystano do tego:

• Kosmiczny Teleskop Hubble’a, który obserwuje w ultrafiolecie i świetle widzialnym,
• Naziemne obserwatoria Fred Lawrence Whipple Observatory i Roque de Los Muchachos.

Zamiast zobaczyć samą gwiazdę towarzyszącą, astronomowie analizowali:

• widma Betelgezy – czyli dokładny rozkład na kolory światła, wrażliwy na obecność różnych pierwiastków,
• prędkości i kierunki ruchu gazu w zewnętrznych warstwach atmosfery gwiazdy.

Okazało się, że co około 2100 dni w danych pojawia się charakterystyczny wzór – ślad po przejściu towarzysza przez gęstą atmosferę czerwonego nadolbrzyma.

Gwiezdny odpowiednik kilwateru za łodzią

Astronomowie porównują to zjawisko do łodzi płynącej po wodzie. Gdy statek porusza się naprzód, za jego rufą pojawia się charakterystyczny kilwater, czyli zaburzony ślad na powierzchni. W przypadku Betelgezy łodzią jest mniejsza gwiazda, nazwana Siwarha, poruszająca się wewnątrz rozciągniętej atmosfery nadolbrzyma. Woda to gaz otaczający Betelgezę.

Ruch tego towarzysza tworzy w gazie zagęszczoną, spiralną strukturę – ślad, który można wykryć jako:

• zmianę natężenia niektórych linii widmowych,
• zmiany prędkości gazu (mierzone dzięki efektowi Dopplera),
• czasową ewolucję tych sygnałów po przejściu towarzysza przed Betelgezą.

Właśnie ten kilwater – gęściejszy, uporządkowany strumień materii – zaobserwowano w nowych danych, po raz pierwszy dostarczając bezpośrednich dowodów na istnienie towarzysza.

Kim jest Siwarha – ukryta towarzyszka nadolbrzyma?

Nowo potwierdzony towarzysz Betelgezy, Siwarha, jest gwiazdą o znacznie mniejszej masie niż czerwony nadolbrzym. Jej orbita przebiega głęboko wewnątrz rozległej atmosfery Betelgezy, która sięga znacznie dalej niż jej widoczny brzeg.

Co ważne, z perspektywy Ziemi Betelgeza obecnie przysłania Siwarhę. To dlatego przez tak długi czas nie udawało się jej zaobserwować bezpośrednio – jej światło ginie w blasku i gazowym halo nadolbrzyma. Astronomowie prognozują, że kolejne korzystne ustawienie, kiedy będzie można ponownie badać wpływ Siwarhy na atmosferę Betelgezy, nastąpi około 2027 roku.

Układ ten jest przykładem ciasnego układu podwójnego, w którym masywny nadolbrzym i jego mniejsza towarzyszka intensywnie na siebie oddziałują. To oddziaływanie może:

• kształtować sposób, w jaki Betelgeza traci masę,
• wpływać na rozkład materii wokół gwiazdy,
• modyfikować przyszły wybuch supernowej i kształt pozostałości po niej.

Dlaczego to odkrycie jest tak ważne?

Lepsze zrozumienie ewolucji masywnych gwiazd

Betelgeza jest jednym z najlepszych kosmicznych laboratoriów do badania końcowych etapów życia masywnych gwiazd. Dzięki jej bliskości astronomowie mogą:

• śledzić w czasie rzeczywistym zmiany jasności, struktury powierzchni i otoczki,
• badać wyrzuty materii i powstawanie pyłu,
• testować modele ewolucji czerwonych nadolbrzymów, które poprzedzają wybuch supernowej.

Potwierdzenie obecności towarzysza Siwarhy pokazuje, że ewolucja takiej gwiazdy nie jest procesem samotnym – kluczową rolę może tu grać oddziaływanie w układzie podwójnym. To z kolei wpływa na:

• tempo i kierunek utraty masy,
• rozkład materii w otoczeniu,
• przyszły kształt mgławicy po supernowej.

Układy podwójne a supernowe

Coraz więcej danych wskazuje, że znaczna część masywnych gwiazd występuje w układach podwójnych lub wielokrotnych. Oddziaływanie grawitacyjne partnera może:

• przyspieszać utratę masy,
• prowadzić do transferu materii między składnikami,
• zmieniać końcową masę gwiazdy i rodzaj supernowej, do której dojdzie.

Betelgeza i Siwarha stają się więc kluczowym przypadkiem do testowania tych scenariuszy. Możliwość śledzenia na żywo ich interakcji daje astronomom rzadką szansę na bezpośrednie powiązanie obserwowanej struktury atmosfery z obecnością towarzysza.

Co dalej z Betelgezą?

Czy nowe odkrycie oznacza, że Betelgeza wkrótce wybuchnie jako supernowa? Obecny stan wiedzy mówi: nie ma wskazówek, że wybuch jest bezpośrednio za rogiem. Czerwone nadolbrzymy w tej fazie mogą pozostawać w miarę stabilne dziesiątki tysięcy lat, choć w skali kosmicznej to i tak jutro.

Dzięki Hubble’owi i obserwatoriom naziemnym astronomowie planują:

• dalsze monitorowanie zmian w atmosferze Betelgezy,
• przygotowanie kampanii obserwacyjnych na czas, gdy Siwarha ponownie wyjdzie z cienia w okolicach 2027 roku,
• rozwijanie modeli numerycznych opisujących przepływ gazu w atmosferze gwiazd z towarzyszami.

Betelgeza pozostanie więc na długie lata jednym z najważniejszych poligonów doświadczalnych astrofizyki gwiazdowej.

Źródła:

• NASA / Hubble – komunikat prasowy „NASA Hubble Helps Detect ‘Wake’ of Betelgeuse’s Elusive Companion Star” (przedstawiony na 247. posiedzeniu American Astronomical Society, przyjęty do publikacji w „The Astrophysical Journal”).
• Artykuł naukowy w „The Astrophysical Journal” (w druku) – szczegółowa analiza widmowa i dynamiczna atmosfery Betelgezy w kontekście towarzysza Siwarhy (odniesienie wg danych z komunikatu NASA).
• Poprzednie prace obserwacyjne dotyczące 400‑ i 2100‑dniowych cykli zmienności Betelgezy oraz hipotez o istnieniu towarzysza (przegląd literatury cytowany w publikacji głównej).

Opracowanie: Agnieszka Nowak