Все о Бетельгейзе: физические характеристики звезды

Бетельгейзе в настоящее время находится в фазе красного сверхгиганта, типичной стадии эволюции звезд с массой от 10 до 40 солнечных масс, характеризующейся огромным расширением звездной оболочки в ответ на изменения в процессах генерации энергии. Среди астрономов существует довольно широкий консенсус в отношении того, что Бетельгейзе впервые поднимается по ветви сверхгигантов. Это означает, что производство энергии внутри нее поддерживается за счет ядерного синтеза гелия в углерод и кислород, который происходит в ядре звезды, и водорода в гелий, который происходит в оболочке вне ядра.

Что касается звездной классификации, Бетельгейзе была каталогизирована, начиная с введения системы Моргана-Кинана, в спектральные классы M1-M2Ia-Iab. Изменчивость атрибуции типа отражает внутреннюю изменчивость звезды и ее спектра. В любом случае общие характеристики такие же, как у светящегося красного сверхгиганта.

Элемент значительной неопределенности касается массы. Несмотря на многочисленные поиски и некоторые попытки отождествления, существование двойного компаньона сверхгиганта так и не было подтверждено. Таким образом, определить его массу из параметров орбиты по формулам ньютоновской гравитации невозможно. Следовательно, единственный способ оценить массу Бетельгейзе - это использовать соответствующие модели звездной эволюции, чтобы найти эволюционный трек, который лучше всего соответствует наблюдаемым характеристикам звезды.

Точно следуя модели звездной эволюции, Мишель М. Долан и другие вычислили в 2008 году массу, равную 16 ± 2 массы Солнца. Тот же Долан вместе с другими авторами опубликовал в 2016 году новое исследование Бетельгейзе в The Astrophysical Journal. В нем, наряду с новой оценкой массы, была нарисована полная идентификационная карта звезды, в которой были собраны все возможные физические параметры, как полученные непосредственно из наблюдений, так и полученные из моделей звездной эволюции. Долан и его коллеги оценили начальную массу в начале главной последовательности в 20 масс Солнца с запасом неопределенности +5 и −3 массы Солнца.

Ниже приводится список основных параметров Бетельгейзе, определенных в этом исследовании:

• расстояние: 197 ± 45 парсек;
• лучевая скорость: 21,91 ± 0,51 км/с;
• диаметр: 887 ± 203 диаметра Солнца, или (1,23 ± 0,28) × 10⁹ км;
• светимость: 125 900 солнечных (4,845 × 10 Вт);
• эффективная температура: 3500 ± 200 К;
• скорость вращения: 5 км/с (угол наклона 20 градусов);
• период вращения: 8,4 года;
• состав: водород 70%, гелий 28%, другие элементы 2,4%;
• текущая масса: 19,4 массы Солнца (3,86 × 10³¹ кг);
• потеря массы: (2 ± 1) × 10⁻⁶ солнечных масс/год;
• поверхностная сила тяжести: 0,3 см/с²;
• возраст: 8-8,5 млн лет;
• Ожидаемая судьба: сверхновая типа II-P.

Бетельгейзе на снимке, взятом из обзора Pan-STARRS DR1. Поле зрения составляет примерно 7,3 × 6,7 угловых минут. Диск звезды, невидимый точно в центре изображения, занимает площадь, равную всего 2,2 миллиардных от наблюдаемой площади. И все же Бетельгейзе настолько ярка, что полностью насыщает сенсоры камеры телескопа, скрывая фоновые звезды и превращая изображение в некую абстрактную картину.

Этих немногочисленных данных достаточно, чтобы понять, что это за «монстр» Бетельгейзе. При диаметре от 1 до 1,5 миллиарда километров, если бы она находилась на месте Солнца, ее фотосфера почти достигла бы орбиты Юпитера. Обладая яркостью более чем в 125 000 раз выше, чем у Солнца, Земля должна быть в 55 миллиардах километров от Бетельгейзе, что эквивалентно почти 370 астрономическим единицам, чтобы получить такое же количество излучения, которое она в настоящее время получает от Солнца.

Ежегодная потеря массы Бетельгейзе также впечатляет, примерно на восемь порядков больше, чем у Солнца. Красный сверхгигант теряет около двух миллионных солнечных масс в год из-за своего звездного ветра. Это значение, выраженное в миллионных долях, может создать впечатление, что это ничтожно малая величина, но две миллионных массы Солнца соответствуют чуть менее 4 × 10²⁴ кг, то есть 66% массы нашей планеты. Это означает, что Бетельгейзе всего за три года унесет количество вещества, равное двум планетам, таким как Земля!

Короче говоря, все, что связано с Бетельгейзе, слишком велико по сравнению с типичными параметрами, с помощью которых астрономы измеряют звезды, которые калибруются, конечно же, на характеристиках Солнца. Валюта, которой оплачивается такая власть, это время. У красного сверхгиганта короткое время жизни. Он потребляет свой огромный запас ядерного топлива бешеными темпами, намного быстрее, чем Солнце. Вот почему с возрастом всего 8,5 миллионов лет, что в 537 раз меньше возраста Солнца (4,57 миллиарда лет), Бетельгейзе уже приближается к своему концу, который произойдет в результате разрушительного взрыва сверхновой.

Бетельгейзе на инфракрасном изображении, полученном в результате обзора 2MASS. Поле зрения составляет 26,2 × 24 угловых минуты, что в 28 миллиардов раз больше, чем площадь диска звезды (что намного меньше черной точки, видимой в центре). В инфракрасном диапазоне Бетельгейзе даже ярче, чем в видимом свете, что можно понять по размеру области изображения, полностью насыщенной светом звезды.

Конец Бетельгейзе

В ядре Бетельгейзе накапливаются большие количества углерода и кислорода, то есть продукты синтеза гелия. Согласно моделям звездной эволюции, доля углерода и кислорода в настоящее время составляет 40–50% от массы ядра. Он занимает самую внутреннюю часть ядра, которая по массе соответствует примерно трем массам Солнца. Там плотность достигла 1000 г/см³ по сравнению со 150 г/см³ в центре Солнца. Температура составляет порядка 100 миллионов К по сравнению с 15,6 миллиона К солнечного ядра.

Самая удаленная область ядра Бетельгейзе занята остаточной фракцией гелия, которая также составляет три массы Солнца. Когда этот гелий также будет израсходован и преобразован в углерод и кислород, звезда действительно окажется в одном шаге от конца. В этот момент начнется короткий период, продолжающийся не более нескольких тысяч лет, когда огромное давление и температура ядра вызовут синтез углерода, затем неона, кислорода и, наконец, кремния.

Когда кремний также израсходуется, термоядерные реакции прекращаются. Далее последует очень быстрый гравитационный коллапс ядра и отскок со взрывом сверхновой, который разрушит внешние слои звезды, выбросив их с очень высокой скоростью в космос. От Бетельгейзе останется лишь крошечный и сверхкомпактный остаток в виде нейтронной звезды с массой около 1,5 массы Солнца.

Взрыв сверхновой высвободит огромную энергию: 2,0×10⁴⁶ джоулей в нейтрино и 2,0×10⁴⁴ джоулей чистой кинетической энергии. Ослепительный свет взрыва, видимый с Земли, достигнет приблизительной визуальной величины -12,4, что означает, что сверхновая звезда осветит небо более ярким светом, чем полная Луна. Ливень рентгеновских и гамма-лучей обрушится на Землю, но он не будет достаточно мощным, чтобы проникнуть в атмосферу.

Ударная волна будет распространяться намного медленнее и достигнет Солнечной системы только через 6 миллионов лет после взрыва. Частицы плазмы от Бетельгейзе будут затем сжимать гелиосферу, но не смогут прорваться на Землю. Расчеты показывают, что они достигнут точки остановки солнечным ветром на расстоянии примерно 2,5 астрономических единиц от Солнца, то есть далеко за пределами орбиты Земли.

Короче говоря, конец Бетельгейзе не будет представлять опасности для жизни на нашей планете. Если смотреть отсюда, это будет лишь грандиозное небесное зрелище и невероятный источник знаний для астрономов довольно далекого будущего. Да, потому что кончина Бетельгейзе не кажется неизбежной, несмотря на резкое падение яркости, произошедшее в последние месяцы. Согласно предсказанию Долана и его коллег, красный сверхгигант взорвется примерно через 100 000 лет плюс-минус тысячелетие. Это плохая новость для тех, кто надеется увидеть вживую великолепное зрелище природы, но с астрономической точки зрения это пустяк, почти мгновение ока.

Взрыв сверхновой Бетельгейзе высвободит около 2,0×10⁴⁶ джоулей нейтрино и 2,0×10⁴⁴ джоулей кинетической энергии. Для сравнения: выход энергии Солнца составляет 3,8 × 10²⁶ джоулей в секунду [изображение: Мишель Диодати]

Почему она так быстро вращается?

Конечно, идея использовать модели звездной эволюции, чтобы попытаться понять, в какой точке своего «жизненного цикла» сейчас находится Бетельгейзе, не является эксклюзивной для группы Долана. Такую же операцию выполнила, например, другая группа исследователей, возглавляемая Дж. Крейгом Уилером, старшим профессором Техасского университета в Остине, бывшим президентом Американского астрономического общества.

Групповое исследование Крейга Уиллера, опубликованное в ноябре 2016 года в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества, сообщает об анализе серии эволюционных треков Бетельгейзе, созданных для начальных значений массы между 15 и 25 массами Солнца. Для этой цели авторы использовали компьютерную программу под названием MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics).

Разница с исследованием, проанализированным ранее, заключается в том, что на этот раз эволюция Бетельгейзе была смоделирована также с учетом эффекта вращения.

Значение, используемое для скорости вращения, было получено из спектроскопических наблюдений, сделанных в 90-х годах с помощью космического телескопа Хаббла. По степени доплеровского сдвига, измеренной во время этих наблюдений, было подсчитано, что Бетельгейзе вращается на экваторе со скоростью 15 км/с. Это много, если учесть, например, что экваториальная скорость вращения Солнца, которое является гораздо меньшей звездой, чем Бетельгейзе, составляет чуть более 2 км/с.

В этом случае размер имеет большое значение. Каждая звезда имеет типичную скорость вращения при рождении, которая является следствием сохранения углового момента вещества, вращающегося в молекулярном облаке, из которого образовалась звезда. Когда звезда выходит из главной последовательности и переходит в фазу красного сверхгиганта, как Бетельгейзе, ее размер непропорционально увеличивается. По тому же закону сохранения углового момента, когда объем звезды увеличивается, скорость вращения должна уменьшаться. Это тот же принцип, по которому фигуристка разводит руки, чтобы замедлить вращение, или опускает их по бокам, чтобы ускорить вращение.

Все эволюционные треки, рассчитанные группой Крейга Уиллера с учетом вращения Бетельгейзе, показали в результате, что в текущей фазе красного сверхгиганта звезда должна вращаться очень медленно, со скоростью около 0,1 км / с. Это значение почти не зависит от начальной скорости вращения Бетельгейзе в то время, когда она перешла на главную последовательность. Даже если бы тогда она вращалась почти с предельной скоростью, достигнутое в настоящее время огромное увеличение в размерах должно было бы замедлить ее примерно до 0,1 км/с. Но данные наблюдений показывают, что звезда вращается в 150 раз быстрее. Как это возможно? Это настоящая астрофизическая загадка.

Одно из возможных объяснений состоит в том, что данные наблюдений за вращением Бетельгейзе в корне неверны. Возможно, например, что наблюдаемый эффект Доплера касался не звездной фотосферы, а ранее сброшенного околозвездного материала. Другая возможность состоит в том, что MESA и другое подобное программное обеспечение неправильно или приблизительно трактуют физику внутренних слоев звезды, неправильно оценивая влияние вязкости.

Еще одна возможность состоит в том, что мы наблюдаем Бетельгейзе, когда она находится точно в разгаре очень короткой переходной фазы, продолжающейся до тысячи лет, когда звездное ядро передает свой угловой момент внешним слоям. Но такое совпадение крайне маловероятно. Более того, эволюционный путь, по которому этот процесс происходит, подразумевает поверхностную гравитацию, намного более сильную, чем та, которая была выведена для Бетельгейзе из наблюдений.

Наклон оси Бетельгейзе относительно земного наблюдателя. Данные были получены в результате спектроскопических наблюдений, сделанных с Хабблом в марте 1995 года. Предполагая наклон 20°, авторы исследования подсчитали, что Бетельгейзе имеет на экваторе скорость вращения 14,6 км/с. Они также вычислили 17-летний период вращения, установив, что радиус звезды равен 770 солнечным радиусам [The Astronomical Journal, 116, 5, pp. 2501–2512]

Звездный каннибализм

Однако есть другой способ объяснить очень высокую скорость вращения звезды. Что, если бы у Бетельгейзе был бинарный компаньон и она его «съела»? Это, по сути, теоретическая гипотеза, предложенная Крейгом Уилером и его командой.

Расчеты, проведенные в рамках этой гипотезы, показывают, что возможный спутник массой около одной солнечной, вращающийся на расстоянии, равном текущему радиусу Бетельгейзе, в конечном итоге был бы проглочен, как только красный сверхгигант достиг своего нынешнего размера. Таким образом, угловой момент охваченного спутника был бы передан Бетельгейзе.

Следовательно, это объяснило бы происхождение очень высокой скорости вращения, рассчитанной для умирающего гиганта. Но есть ли какие-либо данные наблюдений, подтверждающие эту безрассудную гипотезу? Определенно да.

Если Бетельгейзе действительно проглотила в прошлом звезду, подобную Солнцу, то должны остаться следы этого космического катаклизма, видимые в форме материи, выброшенной в околозвездное пространство.

В связи с этим есть изображение Бетельгейзе, опубликованное в 2013 году, полученное в дальнем инфракрасном диапазоне с помощью космического телескопа Herschel ЕКА. Это изображение, приведенное ниже, ясно показывает широкую дугу материи, предшествующую Бетельгейзе в направлении движения.

[ESA/Herschel/PACS/L. Decin et al.]

До сих пор дугу интерпретировали как ударную волну, создаваемую звездным ветром Бетельгейзе, которая сжимает газ и пыль, рассеянные в межзвездной среде, когда звезда движется по своей галактической орбите. Но Крейг Уиллер и его команда предлагают альтернативную гипотезу. Вместо этого дуга могла быть видимым эффектом «трапезы», приготовленной Бетельгейзе в ущерб неудачливому двойному компаньону. Другими словами, дуга содержит материю во внешних слоях звезды, снесенную во время слияния, материю, которая тем временем удалялась, пока не достигла расстояния, на котором ее наблюдал Гершель. Если предположить, что скорость выброса составляет около 10 км/с, дуга обломков была бы в своем нынешнем положении, если бы слияние двух звезд произошло около 100 000 лет назад.

Далее внутри дуги, видимой слева, изображение также показывает кольцо материи всего в четырех угловых минутах от Бетельгейзе. Если бы это внутреннее кольцо было свидетельством гипотетического звездного банкета, событие слияния пришлось бы датировать всего 24 000 лет назад.

Моделирование сценария, предложенного Крейгом Уилером и его коллегами. Бетельгейзе проглатывает звезду солнечной массы, когда она достигает размеров красного сверхгиганта. Слияние двух звезд вызывает мощный выброс большого облака обломков [Микеле Диодати/Universe Sandbox²]

В обоих случаях остается необъяснимой еще одна особенность, не видимая на изображении Гершеля, своего рода «прямая стена» из газа и пыли, которая появляется слева от большой дуги. Это может быть облако межзвездной материи, которое не имеет ничего общего с Бетельгейзе, и кажется, что оно существует только для эффекта перспективы, поскольку на самом деле оно ближе (или дальше) от Земли, чем звезда. Мы не знаем этого, как и не знаем, соответствует ли гипотеза Крейга Уиллера тому, что произошло на самом деле. Несомненно то, что ни один красный сверхгигант не может вращаться так быстро, как кажется, что это делает Бетельгейзе, без уважительной причины.

Оригинал: The physical parameters of Betelgeuse