Denna grafik med fyra paneler illustrerar hur den södra regionen av den snabbt utvecklande, den klarröda superjättestjärnan Betelgeuse kan plötsligt ha blivit svagare i flera månader under slutet av 2019 och början av 2020. I de två första panelerna, sett i ultraviolett ljus med rymdteleskopet Hubble, en ljus, en het plasmaklot kastas ut från uppkomsten av en enorm konvektionscell på stjärnans yta. I panel tre, den utströmmande utdrivna gasen expanderar snabbt utåt. Det svalnar för att bilda ett enormt moln av skymmande dammkorn. Den sista panelen avslöjar det enorma dammmolnet som blockerar ljuset (sett från jorden) från en fjärdedel av stjärnans yta. Kredit:NASA, ESA, och E. Wheatley (STScI)
Nya observationer av Betelgeuse har avslöjat att stjärnans oväntade och betydande nedtoningsperioder i slutet av 2019 och början av 2020 med största sannolikhet orsakades av utstötning och kylning av täta heta gaser, och att stjärnan kan gå igenom ytterligare en nedtoningsperiod mer än ett år för tidigt.
Mellan oktober och november 2019, Hubble Space Telescope observerade tätt, uppvärmt material som rör sig utåt genom stjärnans utsträckta atmosfär vid 200°, 000 miles per timme. Följande månad, flera markbaserade teleskop observerade en minskning av ljusstyrkan på Betelgeuses södra halvklot, som om något blockerade ljuset i denna del av stjärnan. Senast i februari 2020, stjärnan hade förlorat mer än två tredjedelar av sin briljans, en nedtoning synlig även för blotta ögat, skapar buzz om att stjärnan kan bli supernova. Fortsatta ultravioletta spektroskopiska observationer med Hubble gav en tidslinje för forskare att följa, som brödsmulor som leder tillbaka genom tiden för att lokalisera källan till den mystiska nedtoningen.
"Med Hubble, vi hade tidigare observerat heta konvektionsceller på ytan av Betelgeuse och hösten 2019 upptäckte vi en stor mängd tät het gas som rörde sig utåt genom Betelgeuses utsträckta atmosfär. Vi tror att den här gasen kylde ner miljoner mil utanför stjärnan för att bilda damm som blockerade den södra delen av stjärnan som avbildades i januari och februari, sa Andrea Dupree, biträdande direktör för Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian, och huvudförfattare på studien. "Materialet var två till fyra gånger mer lysande än stjärnans normala ljusstyrka. Och sedan, ungefär en månad senare bleknade den södra delen av Betelgeuse iögonfallande när stjärnan blev svagare. Vi tror att det är möjligt att ett mörkt moln resulterade från utflödet som Hubble upptäckte. Endast Hubble ger oss dessa bevis som ledde fram till nedtoningen."
Denna spektrala plot är baserad på observationer från Hubble Space Telescope från mars 2019 till februari 2020. Hubble registrerade ett överraskande utbrott i atmosfären av den närliggande röda superjätten Betelgeuse. Mätningar av emission från magnesium II användes för att spåra rörelse i stjärnans pulserande atmosfär. Hubbles Space Telescope Imaging Spectrograph fångade en dramatisk ökning av ljusstyrkan för magnesiumutsläpp i oktober 2019, i stjärnans sydöstra region, enligt den vita cirkeln. (Betelgeuse är tillräckligt nära och tillräckligt stor för att Hubble ska kunna lösa upp stjärnans enorma skiva.) Denna traumatiska händelse skilde sig från vad som normalt sett under stjärnans 420-dagars pulsationsperiod. Samtidigt i oktober, stjärnan började plötsligt tona ned. Denna blekning fortsatte till februari 2020, vid vilken tidpunkt Hubble ultravioletta spektraldata hade återgått till det normala. Utbrottet misstänks ha kastat ut ett moln av het plasma som svalnat för att bilda damm som blockerade en betydande del av stjärnans ljus under några månader. Hubbles långa baslinje för att övervaka stjärnan hjälpte till att få ihop pusselbitarna. Kredit:NASA, ESA, A. Dupree (CfA), och E. Wheatley (STScI)
Och Betelgeuse höll en annan överraskning för forskare när Hubble-observationer avslöjade att den upptäckta plasman inte kastades ut från stjärnans rotationspoler som förutspått av stjärnmodeller. "Hubbles observationer tyder på att material kan drivas bort från vilken del som helst av stjärnytan, sa Dupree, och tillägger att den senaste tidens aktivitet på Betelgeuse inte var normal för denna stjärna. Dupree noterade att Betelgeuse förlorar massa i en hastighet 30 miljoner gånger högre än solen, men den senaste tidens aktivitet resulterade i en förlust av ungefär två gånger den normala mängden material enbart från det södra halvklotet. "Alla stjärnor förlorar material till det interstellära mediet, och vi vet inte hur detta material går förlorat. Blåser det en jämn vind hela tiden? Eller kommer den i passform? Kanske med en händelse som vi upptäckte på Betelgeuse? Vi vet att andra varmare lysande stjärnor förlorar material och det förvandlas snabbt till damm vilket gör att stjärnan ser mycket svagare ut. Men på över ett och ett halvt sekel, detta har inte hänt Betelgeuse. Det är väldigt unikt."
Kompletterande observationer med hjälp av STELLAR Activity Observatory—STELLA—mätade förändringar i hastigheten på stjärnytan när den steg och föll under pulsationscykeln, skapa en porlande effekt som kan ha drivit den utströmmande plasman genom stjärnans atmosfär. "Vi såg alla absorptionslinjer i det blå spektrumet skiftade och visste att stjärnan expanderade, sade Klaus G. Strassmeier, chef för kosmiska magnetfält vid Leibniz-Institut fur Astrophysik Potsdam (AIP) och medförfattare till studien. "När dimningen började, det blå skiftet blev mindre och mindre och återgick faktiskt till en rödförskjutning när stjärnan var svagast. Så vi visste att nedtoningen måste ha varit relaterad på ett eller annat sätt till expansionen och sammandragningen av stjärnans fotosfär, men det ensamt kunde inte ha orsakat en så stor nedbländning."
En bild från Heliospheric Imager ombord på NASA:s STEREO-farkost visar stjärnan Betelgeuse, inringad. Under flera veckor under 2020, STEREO var det enda observatoriet som gjorde mätningar av Betelgeuse på grund av rymdfarkostens unika position i rymden. Kredit:NASA/STEREO/HI
När stjärnan rörde sig in på daghimlen och ut ur Hubble och STELLA, forskare vände sig till NASA:s Solar Terrestrial Relations Observatory—STEREO—för att övervaka superjättens ljusstyrka. Men sommarobservationer avslöjade en häpnadsväckande överraskning:mer oväntad nedtoning. Mellan slutet av juni och början av augusti 2020, STEREO observerade Betelgeuse på fem separata dagar, mäter stjärnans relativa ljusstyrka i jämförelse med andra stjärnor. "Our observations of Betelgeuse with STEREO confirm that the star is dimming again. Betelgeuse typically goes through brightness cycles lasting around 420 days, and since the previous minimum happened in February 2020, this new dimming is over a year early, " said Dupree, who plans to observe Betelgeuse with STEREO again next year, during the star's maximum, to monitor for unexpected outbursts.
This figure shows measurements of Betelgeuse's brightness from different observatories from late 2018 to present. The blue and green points represent data from ground-based observatories. The gaps in these measurements happen when Betelgeuse appears in Earth's day sky, making it impossible to take precise brightness measurements. During this observation gap in 2020, NASA's STEREO spacecraft — with measurements shown in red — stepped in to observe Betelgeuse from its unique vantage point, revealing unexpected dimming by the star. The 2018 data point from STEREO was found in the mission’s archival data and was used to calibrate STEREO's measurements against other telescopes. Credit:Dupree, et al.
Intense interest surrounding Betelgeuse ignited late last year as the star continued to grow dimmer and dimmer, a behavior some scientists said signaled that the old star was about to go supernova. As a variable star that expands and contracts, dimming and brightening over each cycle, "Betelgeuse is a bright star in our galaxy, near the end of its life that is likely to become a supernova. When the star became very faint in February 2020, this was the faintest that it had ever been since measurements began over 150 years ago, " said Dupree. "The dimming was obvious to everyone when looking at the constellation Orion; it was very weird, Betelgeuse was almost missing." At 725 light years away, light—and dimming—seen from Betelgeuse today on Earth left the star in the year 1300. "No one knows how a star behaves in the weeks before it explodes, and there were some ominous predictions that Betelgeuse was ready to become a supernova. Chances are, dock, that it will not explode during our lifetime, but who knows?"
The full results of the Hubble and STELLA studies published today in The Astrofysisk tidskrift . Observations from STEREO were reported via The Astronomer's Telegram on July 28, 2020.
