Betelgeuse, den ljusa stjärnan i stjärnbilden Orion, har fascinerat astronomer under de senaste månaderna på grund av dess ovanligt kraftiga nedgång i ljusstyrka. Forskare har diskuterat ett antal scenarier för att försöka förklara dess beteende. Nu har ett team under ledning av Thavisha Dharmawardena från Max Planck Institute for Astronomy visat att med största sannolikhet ovanligt stora stjärnfläckar på Betelgeuses yta har orsakat nedtoningen. Deras resultat utesluter den tidigare gissningen att det var damm, nyligen utskjuten av Betelgeuse, som skymmer stjärnan.

Röda jättestjärnor som Betelgeuse genomgår frekventa ljusstyrkavariationer. Dock, den slående minskningen av Betelgeuses ljusstyrka till cirka 40 % av dess normala värde mellan oktober 2019 och april 2020 kom som en överraskning för astronomerna. Forskare har utvecklat olika scenarier för att förklara denna förändring i stjärnans ljusstyrka, som är synlig för blotta ögat och nästan 500 ljusår bort. Vissa astronomer spekulerade till och med om en förestående supernova. Ett internationellt team av astronomer under ledning av Thavisha Dharmawardena från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg har nu visat att temperaturvariationer i fotosfären, d.v.s. stjärnans lysande yta, fick ljusstyrkan att sjunka. Den mest troliga källan till sådana temperaturförändringar är gigantiska svala stjärnfläckar, liknar solfläckar, som, dock, täcker 50 till 70 % av stjärnans yta.

"Mot slutet av deras liv, stjärnor blir röda jättar, " Dharmawardena förklarar. "När deras bränsleförråd tar slut, processerna förändras genom vilka stjärnorna frigör energi." Som ett resultat, de sväller, blir instabil och pulserar med perioder på hundratals eller till och med tusentals dagar, vilket vi ser som en fluktuation i ljusstyrkan. Betelgeuse är en så kallad Red Supergiant, en stjärna som, jämfört med vår sol, är cirka 20 mer massiva och ungefär 1000 gånger större. Om den placeras i mitten av solsystemet, den skulle nästan nå Jupiters omloppsbana.

På grund av sin storlek, gravitationskraften på stjärnans yta är mindre än på en stjärna med samma massa men med en mindre radie. Därför, pulsationer kan skjuta ut de yttre skikten av en sådan stjärna relativt lätt. Den frigjorda gasen kyls ner och utvecklas till föreningar som astronomer kallar damm. Det är därför röda jättestjärnor är en viktig källa till tunga grundämnen i universum, från vilka planeter och levande organismer så småningom utvecklas. Astronomer har tidigare ansett produktionen av ljusabsorberande damm som den mest sannolika orsaken till den kraftiga minskningen av ljusstyrkan.

För att testa denna hypotes, Thavisha Dharmawardena och hennes medarbetare utvärderade nya och arkivdata från Atacama Pathfinder Experiment (APEX) och James Clerk Maxwell-teleskopet (JCMT). Dessa teleskop mäter strålning från spektralområdet för submillimetervågor (terahertzstrålning), vars våglängd är tusen gånger större än det synliga ljusets. Osynlig för ögat, astronomer har använt dem under en tid för att studera interstellärt damm. Särskilt kallt damm lyser vid dessa våglängder.

"Det som förvånade oss var att Betelgeuse blev 20% mörkare även i submillimetervågområdet, " rapporterar Steve Mairs från East Asian Observatory, som samarbetade i studien. Erfarenheten visar att ett sådant beteende inte är förenligt med förekomsten av damm. För en mer exakt utvärdering, hon och hennes medarbetare beräknade vilken inverkan damm skulle ha på mätningar i detta spektralområde. Det visade sig att en minskning av ljusstyrkan i submillimeterområdet inte kan tillskrivas en ökning av dammproduktionen. Istället, stjärnan själv måste ha orsakat ljusstyrkan som astronomerna mätte.

Fysiska lagar säger att en stjärnas ljusstyrka beror på dess diameter och särskilt på dess yttemperatur. Om bara stjärnans storlek minskar, ljusstyrkan minskar lika mycket i alla våglängder. Dock, temperaturförändringar påverkar strålningen som sänds ut längs det elektromagnetiska spektrumet olika. Enligt forskarna, den uppmätta mörkningen i synligt ljus och submillimetervågor är därför bevis på en minskning av medelyttemperaturen hos Betelgeuse, som de kvantifierar vid 200 K (eller 200 °C).

"Dock, en asymmetrisk temperaturfördelning är mer sannolikt, " förklarar medförfattaren Peter Scicluna från European Southern Observatory (ESO). "Motsvarande högupplösta bilder av Betelgeuse från december 2019 visar områden med varierande ljusstyrka. Tillsammans med vårt resultat, detta är en tydlig indikation på enorma stjärnfläckar som täcker mellan 50 och 70 % av den synliga ytan och har en lägre temperatur än den ljusare fotosfären." Stjärnfläckar är vanliga i jättestjärnor, men inte i denna skala. Inte mycket är känt om deras livstid. Dock, teoretiska modellberäkningar verkar vara kompatibla med varaktigheten av Betelgeuses dipp i ljusstyrka.

Vi vet från solen att mängden fläckar ökar och minskar i en 11-årscykel. Om jättestjärnor har en liknande mekanism är osäkert. En indikation på detta kan vara den tidigare lägsta ljusstyrkan, vilket också var mycket mer uttalat än tidigare år. "Observationer under de kommande åren kommer att berätta för oss om den kraftiga minskningen av Betelgeuses ljusstyrka är relaterad till en punktcykel. I alla fall, Betelgeuse kommer att förbli ett spännande objekt för framtida studier, " avslutar Dharmawardena.