Illustratie van de enorme uitbarsting, die zich verwijdert van Betelgeuze en een stofwolk vormt.
NASA, ESA, and E. Wheatley (STScI)

Mysterieuze verduistering reuzenster Betelgeuze veroorzaakt door enorme uitbarsting heet materiaal

In oktober 2019 werd de ster Betelgeuze, een rode reus die niet ver van de aarde staat, plotseling veel minder helder. Waarnemingen van de ruimtetelescoop Hubble hebben nu uitgewezen dat die verduistering hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt werd door een enorme hoeveelheid heet materiaal die door Betelgeuze in de ruimte werd uitgestoten. Dat materiaal koelde vervolgens af en vormde een stofwolk die een groot deel van het licht van Betelgeuze tegenhield.

Volgens de Hubble-onderzoekers heeft de stofwolk zich gevormd toen superheet plasma dat vrijgekomen is door het opborrelen van een grote convectiecel op het oppervlak van de ster, door de hete atmosfeer is gepasseerd naar de koelere buitenste lagen. Daar is het plasma afgekoeld en heeft het stofkorrels gevormd. Een convectiecel is een fenomeen waarbij in een vloeistof koudere en daardoor dichtere vloeistof naar beneden zakt onder hetere en dus minder dichte vloeistof.   

Betelgeuze is een rode reus, een gigantische, oude ster die in omvang is toegenomen door complexe veranderingen in de nucleaire 'fusie-oven' in haar kern. De ster is nu zo groot dat haar oppervlak zich tot voorbij de baan van Jupiter zou uitstrekken als ze de plaats van onze zon zou innemen in ons zonnestelsel. 

Zware reuzensterren als Betelgeuze zijn belangrijk omdat ze zware elementen in de ruimte uitstoten, zoals koolstof, die de bouwstenen worden van een nieuwe generatie van sterren. Koolstof is ook een basiselement voor leven zoals we dat kennen. 

De nooit eerder geziene verduistering van Betelgeuze begon in oktober 2019 en tegen half februari 2020 had de reuzenster meer dan twee derde van haar helderheid verloren. Doordat Betelgeuze relatief dicht bij de aarde staat, momenteel op zo'n 725 lichtjaar, was dat zelfs met het blote oog te zien. 

Een grafiek met metingen van de helderheid van Betelgeuze door verschillende observatoria van eind 2018 tot nu. De blauwe en groene punten geven gegevens weer van op aarde gevestigde observatoria. De gaten in die metingen worden veroorzaakt door het feit dat Betelgeuze op dat punt in de daghemel van de aarde stond, wat nauwkeurige metingen van de helderheid onmogelijk maakt. Tijdens dit hiaat in 2020 observeerde het ruimtetuig STEREO van de NASA Betelgeuze vanuit zijn unieke gezichtspunt, en toonde een onverwachte afname van de helderheid, de punten in het rood. Het gegevenspunt in het rood van 2018 voor STEREO komt uit de archieven en werd gebruikt om de metingen van STEREO te kalibreren tegenover die van de andere telescopen..
Dupree, et al., The Astrophysical Journal 2020

Aanwijzingen voor heet materiaal in de atmosfeer

De plotselinge verduistering van Betelgeuze was een raadsel voor astronomen, die dan ook al snel verschillende theorieën over de abrupte verandering bedachten. 

Maar de waarnemingen van de Hubble, onder leiding van Andrea Dupree, de belangrijkste auteur van de studie over het fenomeen en de adjunct-directeur van het Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian (CfA), wezen op een stofwolk die een deel van de ster bedekte. 

Het team van Dupree was al in januari 2019 begonnen met continue spectroscopische waarnemingen in het ultraviolet van Betelguze met de Hubble, en die waarnemingen gaven de onderzoekers een tijdlijn in de aanloop naar de verduistering en belangrijke aanwijzingen naar het mechanisme achter de verminderde helderheid.

De Hubble ving aanwijzingen op van dicht, verhit materiaal dat zich door de atmosfeer van de ster bewoog in september, oktober en november 2019. Vervolgens zagen verschillende telescopen op aarde de helderheid afnemen in het zuidelijk halfrond van de ster. 

"Met de Hubble zagen we het materiaal op het ogenblik dat het het zichtbare oppervlak van de ster verliet en zich naar buiten toe bewoog door de atmosfeer, voor de stofwolk zich vormde die maakte dat de ster minder helder leek te zijn", zei Dupree. "We konden het effect zien van een dichte, hete regio in het zuidoostelijk deel van de ster die zich naar buiten toe bewoog."

"Dit materiaal gaf twee tot vier keer meer licht dan de normale helderheid van de ster", zo zei ze. "En toen, zowat een maand later, werd het zuidelijk deel van Betelgeuze opvallend veel donkerder. We denken dat het mogelijk is dat het resultaat van de uitstroming die Hubble gezien heeft, een donkere wolk was. Enkel de Hubble geeft ons deze aanwijzingen die geleid hebben tot de verduistering." 

De volledige illustratie van bovenaan het artikel. Deze grafische voorstelling toont in de eerste twee panelen hoe een heldere, hete bobbel van plasma uitgestoten wordt vanuit een enorme convectiecel op het oppervlak van de ster, zoals dat gezien werd in ultraviolet licht met de Hubble. In het derde paneel strekt het uitgestoten materiaal zich snel uit naar buiten toe. Het koelt af en vormt een enorme wolk van stofkorrels die het licht verduisteren. Het vierde paneel toont hoe deze enorme stofwolk het licht blokkeert van een kwart van het oppervlak van de ster, gezien vanaf de aarde.
NASA, ESA, and E. Wheatley (STScI)

Twee keer meer materiaal verloren

Het team van Dupree begon de Hubble begin vorig jaar te gebruiken om de reuzenster te analyseren. Hun waarnemingen maken deel uit van een driejarige studie met de Hubble om veranderingen op te volgen in de buitenste atmosfeer van de ster. Betelgeuze is een variabele ster die uitzet en samentrekt, en daarbij helderder en minder helder wordt, volgens een cyclus van 420 dagen. 

De gevoeligheid van de Hubble voor ultraviolet liet de onderzoekers toe de lagen van de atmosfeer boven het oppervlak van de ster te onderzoeken. Die lagen zijn zo heet - meer dan 11.000 graden Celsius -, dat ze niet waargenomen kunnen worden in zichtbaar licht. Ze worden voor een deel verhit door de turbulente convectiecellen van de ster die naar het oppervlak opborrelen. 

De Hubble-telescoop onderzocht ook de buitenste lagen van de atmosfeer door in het begin en op het einde van 2019 en in 2020 de spectraallijnen te meten van het magnesium II-ion. Vanaf september tot en met november 2019 konden de onderzoekers daarmee materiaal opmeten dat met een snelheid van meer dan 300.000 km/u vanop het oppervlak van de ster de buitenste atmosfeer inschoot.  

Dit hete, dichte materiaal bleef zich verwijderen van het oppervlak van Betelgeuze tot het miljoenen kilometer van de kolkende ster verwijderd was. Op die afstand koelde het materiaal voldoende af om stof te vormen, zo zeiden de onderzoekers. 

Deze interpretatie is consistent met de ultraviolet waarnemingen van de Hubble in februari 2020, die tonen dat het gedrag van de buitenste atmosfeer van de ster opnieuw normaal geworden was, hoewel beelden in zichtbaar licht nog steeds toonden dat de ster minder helder was. 

Hoewel Dupree niet weet wat de uitbarsting veroorzaakt heeft, denkt ze dat die geholpen werd door de pulsatiecyclus van de ster - het uitzetten en inkrimpen -, die normaal bleef voortgaan tijdens de gebeurtenis. 

Duprees mede-auteur van de studie, Klaus Strassmeier van het Leibniz Institute for Astropysics Potsdam, gebruikte STELLar Activity (STELLA), de geautomatiseerde telescoop van het instituut, om veranderingen te meten in de snelheid van het gas op het oppervlak van de ster terwijl dat naar boven kwam en daalde in de pulsatiecyclus. De ster was aan het uitzetten in haar cyclus op het ogenblik dat de convectiecel opborrelde. Volgens Strassmeier kan de pulsatie die over Betelgeuze naar buiten toe golfde, geholpen hebben om het vrijgekomen plasma door de atmosfeer te katapulteren.

Dupree schat dat in de drie maanden van de uitbarsting zo'n twee keer de normale hoeveelheid materiaal verloren is gegaan, alleen al van het zuidelijk halfrond van de ster. Betelgeuze verliest, net als alle sterren, constant massa. In het geval van Betelgeuze gaat het om 30 miljoen keer meer materiaal dan bij onze zon. 

Betelgeuze staat zo dicht bij de aarde en is zo groot, dat de Hubble in staat is om bepaalde kenmerken van het oppervlak te onderscheiden. Dat maakt van de rode reus de enige ster, naast onze zon, waarop we details van het oppervlak kunnen zien.

Beelden van de Hubble die Dupree in 1995 genomen heeft van Betelgeuze, toonden voor het eerst een gevlekt oppervlak met enorme convectiecellen, die uitzetten en samenkrimpen, wat maakt dat ze helderder en minder helder worden. 

Een beeld van Betelgeuze genomen met de Heliospheric Imager aan boord van het STEREO-ruimtetuig van de NASA.
NASA/STEREO/HI

Voorloper van een supernova?

Betelgeuze is een ster die aan het einde van haar leven is gekomen en ze gaat aan haar einde komen in een supernova-ontploffing. Sommige astronomen denken dan ook dat de plotse verduistering een gebeurtenis kan zijn die voorafgaat aan een supernova. De ster staat, zoals gezegd, relatief dichtbij, zo'n 725 lichtjaar ver, en dat betekent dat de verduistering rond het jaar 1300 moet gebeurd zijn. Het licht daarvan heeft nu immers pas de aarde bereikt. 

"Niemand weet wat een ster doet net voor ze een supernova wordt, omdat zoiets nog nooit geobserveerd is", zei Dupree. "Astronomen hebben al sterren bekeken misschien een jaar of zo voor ze een supernova werden, maar nog nooit dagen of weken voordat dit gebeurde. Maar de kans dat de ster binnenkort een supernova zal worden, is vrij klein."

Dupree zal opnieuw een kans krijgen om Betelgeuze te observeren met de Hubble eind augustus of begin september. Momenteel bevindt de ster zich aan de daghemel, te dicht bij de zon voor waarnemingen met Hubble. 

Maar het Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), een ruimtesonde van de NASA, heeft vanuit de ruimte beelden van de reuzenster genomen. Die waarnemingen tonen dat Betelgeuze deze zomer opnieuw minder helder is geworden, hoewel minder erg dan eerder dit jaar. Dat is opnieuw een raadsel, aangezien de cyclus waarin Betelgeuze helderder wordt en verduistert, zo'n 420 dagen duurt, en de vorige minimum helderheid in februari 2020 viel. Dat maakt dat deze verduistering meer dan een jaar te vroeg valt. 

Dupree hoopt STEREO te kunnen gebruiken om de helderheid van Betelgeuze op te volgen. Ze is van plan om de ster opnieuw te observeren met STEREO volgend jaar, als Betelgeuze zich opnieuw aan het uitzetten is in haar cyclus, om te zien of dit opnieuw leidt tot een uitbarsting. 

De studie van het team van Dupree is gepubliceerd in The Astrophysical Journal. De waarnemingen van STEREO werden eind juli al bekendgemaakt via The Astronomer's Telegram. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Goddard Space Flight Center van de NASA. 

Meest gelezen