04.08.23: De siste årene har det vært mye oppmerksomhet om den gigantiske og svært lyssterke stjernen Betelgeuse i stjernebildet Orion. Kraftige endringer i lysstyrken i 2020 fikk noen til å spekulere på om stjernen var i ferd med å eksplodere som supernova. Disse endringene viste seg å ha andre forklaringer., men nå viser nye studier at Betelgeuse en gang kan ha smeltet sammen med en annen stjerne og i tillegg kan ha kommet mye lenger i utviklingen enn antatt – kanskje eksploderer den som en supernova i løpet av bare noen tiår!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

Når eksploderer den lyssterke stjernen Betelgeuse? Til venstre et bilde av overflaten mens stjernen i 2020 blåste av seg en enorm støvsky. Til høyre Krabbetåken – resultatet av en supernovaeksplosjon i 1054. Restene etter Betelgeuse vil trolig ligne på denne gasståken.
Foto: ESO/M. Montargès et al., NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

Den røde superkjempen Betelgeuse i stjernebildet Orion er normalt himmelens 9. mest lyssterke stjerne og et av de mest iøynefallende himmelobjektene. Diameteren er omkring 1,4 milliarder kilometer, og dermed ville hele Solsystemet ut til og med Jupiter, fått plass inne i Betelgeuse. Med denne størrelsen og en avstand på rundt 700 lysår, er Betelgeuse dessuten en av ytterst få stjerner der overflaten kan fotograferes fra Jorden ved hjelp av spesielle metoder, noe som gjør det mulig å utforske overflatefenomen relativt detaljert.

Bildeserier som ble tatt i 2019 og 2020 viste at sett fra Jorden skygget en enorm støvsky for store deler av overflaten og forårsaket at lysstyrken tilsynelatende avtok rekordmye. Før forklaringen ble funnet gjennom detaljerte studier av observasjonene, trodde noen at Betelgeuse kunne være på nippet til å eksplodere som supernova.

Betelgeuses overflate fotografert i januar 2019 (bilde nr. 1) da stjernen hadde normalt utseende, desember 2019 (bilde nr. 2), januar 2020 (bilde nr. 3) og mars 2020 (bilde nr. 4).
Foto: ESO/M. Montargès et al.

Masserike stjerner som Betelgeuse går gjennom en rekke faser – først omdannes hydrogenet i kjernen til helium, deretter stiger temperatur og tetthet så mye at heliumet omdannes til karbon og oksygen. Etter ytterligere flere faser består kjernen av jern, og kun timer senere kollapser kjernen og utløser en dramatisk og spektakulær eksplosjon – en supernova.

De siste fasene går svært mye raskere enn de første: For en stjerne med 20 solmasser (slik som Betelgeuse trolig opprinnelig hadde) varer fasen med hydrogenbrenning i kjernen omkring 10 millioner år, heliumbrenning 800 000 år, karbonbrenning 2600 år, neonbrenning 3 år, oksygenbrenning 10 måneder og silisiumbrenning (som produserer jernkjernen) en uke.

For hver ny fase endres stjernens indre struktur, og dette kan medføre at de ytre lagene svulmer etter trekker seg sammen. Stjernens lysstyrke og temperatur blir samtidig til dels kraftig påvirket.

Skjematisk fremstilling av hvordan kjernen til en masserik stjerne kollapser og forårsaker en supernova-eksplosjon.
a: Gjentatte fusjonsprosesser i en stjerne med stor masse har dannet lag på lag med tyngre grunnstoffer innover mot den innerste delen av kjernen som består av jern.
b: Jernkjernen når Chandrasekhars masse og begynner å kollapse: de ytre delene av kjernen (sorte piler) beveger seg med supersonisk hastighet (og er sjokkpåvirket) mens den tettere indre kjernen (hvite piler) beveger seg saktere enn lokal lydhastighet.
c: Den indre kjernen blir presset sammen til nøytroner, og gravitasjonsenergien omdannes til nøytrinoer.
d: Innfallende materiale spretter ut igjen fra kjernen og danner en utadgående sjokkbølge (rødt).
e: Sjokkbølgen begynner å stanse siden kjernefysiske prosesser som den utløser krever energi, men revitaliseres av vekselvirkninger med nøytrinoer.
f: Materiale utenfor den indre kjernen blir blåst av og etterlater en knøttliten, degenerert rest.
Illustrasjon: R.J. Hall. Redrawn in Inkscape by Magasjukur2 /Wikipedia

Forvarsel likevel?

Tidligere trodde man at endringene i kjernen fra og med karbonbrenning var for raske til at overflaten kunne henge med. Når en masserik stjerne har utviklet seg til å bli en heliumbrennende rød superkjempe skulle vi altså ikke kunne observere større endringer på overflaten frem mot tidspunktet der stjernen eksploderer som supernova.

På konferansen «IAU Symposium 361: Massive Stars Near & Far» i Irland, i mai 2022 ble det presentert resultater som tyder på at meget store endringer faktisk inntreffer fra noen uker til måneder før supernova-eksplosjoner i røde superkjemper (se f.eks. her). Det ser blant annet ut til at slike stjerner kan blåse av seg store mengder masse (kanskje rundt 10 % av en solmasse), noe som vil medføre dramatiske endringer i lysstyrke og farge og dermed varsle oss om at noe spektakulært er i gjære!

Årsaken til endringene er ikke kjent.

Selv om disse resultatene først ble dokumentert i fjor, har flere forskere en stund hatt mistanke om at det kan være slik, og noen mente derfor at lysstyrkeendringene på Betelgeuse kunne være et forvarsel om en nært forestående supernovaeksplosjon.

Bildene som viser en gigantisk støvsky foran Betelgeuse demonstrerte imidlertid at forklaringen var en helt annen – det var ikke kjernen men de ytterste lagene som forårsaket lyssvekkelsen. De fleste forskerne har imidlertid ment at Betelgeuse kun har kommet til fasen med heliumbrenning i kjernen og derfor har rundt 100 000 år igjen å leve før den eksploderer. Men en ny og detaljert av analyse av stjernens egenskaper tyder på at dramatikken kan inntreffe langt raskere!

Illustrasjon av den indre strukturen til en rød superkjempe som har heliumbrenning i kjernen. Rundt kjernen finnes et skall der hydrogen omdannes til helium. De ytre delene har svulmet voldsomt – det er dette som har endret stjernen fra en varm og blå stjerne til en gigantisk kjølig rød superkjempe.
Illustrasjon: Sannes & Ødegaard

Melkeveiens neste supernova?

Betelgeuse varierer i lysstyrke og har flere sykluser som har vært kjent i over 100 år. Pulsasjonene oppstår i de ytre lagene, men blir påvirket av forholdene i de indre delene som er skjult for oss. En forskergruppe fra Japan og Sveits har studert pulsasjonene til Betelgeuse og prøvd å etterligne disse i datamodeller av stjerner med ulike indre egenskaper. For å skape alle de fire observerte pulsasjonene, trengs en modell som beskriver en stjerne som har kommet helt til slutten av karbonbrenning i kjernen. Til gjengjeld forutsier denne modellen til og med den store lyssvekkelsen (the Great Dimming) som fant sted i 2019 og 2020 – årsaken var vekselvirkningen mellom to pulsasjoner.

En av pulsasjonene (med periode rundt 400 døgn) var borte etter denne spektakulære hendelsen, og dette skyldes trolig det enorme massetapet som fant sted (tilsvarende 400 milliarder ganger en CME på Solen). Siden denne pulsasjonen har en veksttid på 5,4 år, forventes den å være tilbake rundt 2025.

Dersom denne modellforutsigelsen viser seg å stemme, er det grunn til å tro at Betelgeuse faktisk har nådd svært sene utviklingsstadier. Som forskergruppen påpeker i sin artikkel betyr dette at Betelgeuse vil eksplodere som supernova i løpet av noen få tiår (eller før)!

I mai og juni i år har lysstyrken til Betelgeuse økt med nesten 50 %, noe som har gjort diskusjonen om stjernens umiddelbare fremtid enda mer aktuell.

Siden observasjoner gjort av andre eksploderende røde superkjemper altså viser dramatiske endringer fra dager til måneder før eksplosjonen, er det all grunn til å følge veldig nøye med på Betelgeuse fremover!

Et av de mest spektakulære himmelfenomenene i menneskehetens historie

Eksplosjonen vil utvilsomt bli et av de aller mest spektakulære og vitenskapelig viktige himmelfenomenene i menneskehetens historie. Lysstyrken ventes å bli omtrent som fra halvmånen, men i motsetning til månelyset vil supernovalyset oppleves å komme fra en prikk. Trolig vil denne skinne så sterkt at det vil være plagsomt å stirre rett på lyset. Dersom vi ser på prikken gjennom et teleskop, kan vi til og med få øyeskader!

Dette historiske fenomenet vil kunne oppleves av mennesker rundt på hele kloden – og selv fra sentrum av de største og mest lysforurensede byene!

Forskerne vil få panoramautsikt til et av naturens mest dramatiske og viktige naturfenomener og vil kunne studere selve eksplosjonen, hvordan virvlende gasskyer fulle av nydannede tunge grunnstoffer farer utover i rommet, samt en nydannet stjernerest – trolig en nøytronstjerne og kanskje til og med en pulsar. Dette fenomenet kommer til å bli omtalt, studert og diskutert i mange tusen år. <7p>

Etter eksplosjonen vil det flotte stjernebildet Orion være forandret for alltid.

Stjernebildet Orion med Oriontåken (nederste del, i midten).
Foto: Wikipedia

Unike observasjoner gjort de siste årene viser oss hva vi kan forvente å oppleve under selve eksplosjonen.

Eksplosjonen finner sted inne i midten av stjernen og sprer seg i form av en voldsom sjokkbølge i stor hastighet ut mot overflaten. Når sjokkbølgen nærmer seg overflaten vil vi merke en plutselig og dramatisk økning i lysstyrken, og etter noen minutter vil stjernen ha nådd opp mot astronomisk lysstyrke ca. -9,4, dvs. 80 ganger sterkere enn planeten Venus lyser på sitt aller sterkeste. Betelgeuse vil gi nok lys til at vi nattestid lett kan se skygger på bakken i mørke områder.

Utviklingen av lysstyrken til KSN 2011d. Lysstyrken er sammenlignet med Solens og er først svakt variabel inntil den plutselig øker kraftig når sjokkfronten når stjernens overflate. I denne 20 minutter lange fasen er lysstyrken opptil 130 millioner ganger større enn Solens. Etter sjokkfasen, fortsetter gassen fra den stjernen å ekspandere med den følge at lysstyrken igjen øker og etter 14 dager når et maksimum som er rundt en milliard ganger Solens.
Illustrasjon: NASA Ames/W. Stenzel

Etter å ha nådd denne kortvarige toppen, vil lysstyrken raskt avta før den øker jevnt de neste 14 dagene og når et maksimum som altså tilsvarer lysstyrken til halvmånen.

Var Betelgeuse opprinnelig to stjerner?

Når stjerner svulmer avtar rotasjonshastigheten, når de krymper øker rotasjonshastigheten (samme effekt som for en kunstisløper som trekker inn armene i en piruett), og derfor forventes de enorme røde superkjempene å rotere svært sakte, mens knøttsmå og kompakte stjerner som hvite dverger og nøytronstjerner ofte spinner ekstremt raskt.

Røde superkjemper har voldsomme bevegelser i de ytre lagene som følge av konveksjon (se simulering i denne saken), og det er derfor vanskelig å måle rotasjonen til slike stjerner. De siste årene har målinger av rotasjonen til Betelgeuse likevel gitt rotasjonshastigheter på ca. 6,5 km/s (rotasjonsperiode på 31 – 36 år), langt mer enn forventet. Beregninger viser at rotasjonshastigheten burde vært under 0,1 km/s!

Den eneste mulige forklaringen man har funnet er at rotasjonen har fått ekstra fart ved at Betelgeuse har slukt en annen stjerne.

På den internasjonale forskerkonferansen «3,2,1: Massive Triples, Binaries and Mergers 2023” ble det i sommer lagt frem dokumentasjon på at 25 % av alle masserike stjerner etter hvert kommer til å smelte sammen med en ledsager, 10 % av alle masserike stjerner som finnes nå har allerede smeltet sammen med en annen stjerne, og alle> stjerner med svært stor masse har oppstått ved en sammensmeltning.

Dette endrer vår forståelse av hvordan masserike stjerner dannes, utvikler seg og dør.

Når det gjelder Betelgeuse tyder beregninger utført av en amerikansk forskergruppe på at Betelgeuse opprinnelig var to stjerner med henholdsvis 15-17 og 1-4 solmasser som for noen hundre tusen år siden smeltet sammen til ett objekt.

Under sammensmeltningen ble det blåst av gass som dannet en smultringformet ring med 0,6 solmasser, og stjernen som var resultatet av sammensmeltningen roterte mye raskere enn de to stjernene hadde gjort.

Flere andre røde superkjemper roterer også mistenkelig raskt – observasjoner tyder f.eks. på at Antares i stjernebildet Skorpionen roterer med 20 km/s. Den må i så fall også være resultatet av en sammensmeltning.

To masserike stjerner som sirkler så tett på hverandre at de berører hverandre og snart vil smelte sammen til én stjerne.
Illustrasjon: ESO/L. Calçada

Et kjemisk spor

Et annet bevis for at en sammensmeltning har funnet sted er den kjemiske sammensetningen til Betelgeuse. Når en masserik stjerne gjennomgår sitt første hovedstadium (er på hovedserien), omdannes hydrogen til helium i kjernen gjennom den såkalte CNO-syklusen. I tillegg til at konsentrasjonen av helium gradvis stiger, øker også konsentrasjonen av nitrogen. Siden dette skjer i stjernens kjerne, ser vi vanligvis ikke spor av prosessen på stjernens overflate. Men dersom gass fra ulike lag av stjernen blandes, kan disse omdannede gassene nå overflaten og dermed bli mulig å observere fra Jorden ved hjelp av detaljerte studier av lyset (spektroskopi).

De siste 10 årene har flere målinger vist at nitrogenkonsentrasjonen i Betelgeuse er 6-10 ganger det normale, noe som er vanskelige å forklare. Men dersom Betelgeuse er dannet gjennom en sammensmeltning vil nitrogen fra kjernen til den minste stjernen ha havnet i de ytre lagene på den største, noe som forklarer nitrogen-observasjonene!

Stjerner som har smeltet sammen har mye kortere fase som røde superkjemper og tilbringer mye lengre tid som blå superkjemper. Dette passer bra med nye studier av historiske opptegnelser som tyder på at Betelgeuse hadde betydelig høyere temperatur for 2000 år siden.

Løpsk stjerne

Betelgeuse beveger seg uvanlig raskt (30 km/s) gjennom rommet (den er en såkalt runaway-stjerne eller løpsk stjerne). og dette kan skyldes at den opprinnelig var del av et system med tre eller flere stjerner som gikk i oppløsning, f.eks. etter at en komponent eksploderte som en supernova.

Betelgeuse farer så fort gjennom rommet at den lager en sjokkfront, et såkalt baugsjokk, fordi gassen som stjernen blåser av seg treffer en strøm av interstellart materiale som kommer fra området rundt Orions belte.
Foto: JAXA/ESA.

MER INFORMASJON

astroevents.no: Berømt stjerne viste spektakulært og dramatisk fenomen

Astroevents.no: Supernovaer og hypernovaer – en oversikt

astroevents.no: Unike observasjoner av starten på supernovaer!

Astroevents.no: Stjerner som smelter sammen

phys.org. Betelgeuse is continuing to behave mysteriously—here's what would happen if it exploded

Fagartikkel i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Explosion imminent: the appearance of red supergiants at the point of core-

Fagartikkel i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: The evolutionary stage of Betelgeuse inferred from its pulsation periods

Fagartikkel i The Astrophysical Journal: Is Betelgeuse the Outcome of a Past Merger?