El Hubble resol la misteriosa atenuació de Betelgeuse

 Betelgeuse. Clic per engrandir. Crèdit:  A. Dupree (CfA), R. Gilliland (STScI), FOC, HST, NASA

Les observacions del telescopi espacial Hubble de la NASA mostren que l'inesperat enfosquiment de l'estrella supergegant Betelgeuse va ser causat probablement per una immensa quantitat de material calent expulsat a l'espai, formant un núvol de pols que bloquejava la llum de l'estrella procedent de la superfície de Betelgeuse.

Els investigadors del Hubble suggereixen que el núvol de pols que es va formar quan el plasma supercalent es va alliberar d'un aflorament d'una gran cel·la de convecció a la superfície de l'estrella travessant l'atmosfera calenta fins a  les capes exteriors més fredes, on es va refredar i va formar grans de pols. El núvol de pols resultant va bloquejar la llum del voltant d'un quart de la superfície de l'estrella, a partir de finals de 2019. Per a abril de 2020, l'estrella va tornar a la seva brillantor normal.

Betelgeuse és una estrella supergegant envellida, vermella, que ha augmentat de grandària a causa dels canvis complexos i evolutius del seu nucli, un forn de fusió nuclear. L’estrella és tan enorme, que si substituís el Sol al centre del nostre sistema solar, la seva superfície exterior s’estendria per sobre de l’òrbita de Júpiter.

El fenomen sense precedents per al gran enfosquiment de Betelgeuse, que fins i tot es nota fins a simple vista, va començar a l'octubre del 2019. A mitjans de febrer del 2020, l'enorme estrella havia perdut més de les dues terceres parts de la seva brillantor.

Aquest gràfic amb quatre panells il·lustra com la regió sud de l'estrella supergeganta vermella i brillant, la brillantor de Betelgeuse en una evolució ràpida pot haver quedat bruscament enfeblida durant diversos mesos entre els finals del 2019 i principis del 2020. En els primers dos panells, es pot veure a la llum ultraviolada amb el Hubble, una bombolla de plasma brillant i calent és expulsada per l’aparició d’una enorme cèl·lula de convecció a la superfície de l’estrella. Al quadre tres, el gas expulsat s’expandeix ràpidament cap a l’exterior, i es refreda per formar un enorme núvol fosc de grans de pols. El panell final revela l'enorme núvol de pols que bloqueja la llum (tal com es veu des de la Terra) de la quarta part de la superfície de l'estrella. Crèdit d’il·lustració: NASA, ESA i E. Wheatley (STScI).

Aquesta moderació sobtada ha desconcertat als astrònoms, que van lluitar per desenvolupar diverses teories sobre el canvi brusc. Una idea era que una taca solar enorme i freda tapava un ampli terreny de la superfície visible. No obstant això, les observacions del Hubble, dirigides per Andrea Dupree, directora associada del Centre d’Astrofísica-Harvard i Smithsonian (CfA), Cambridge, Massachusetts, suggereixen un núvol de pols que ha cobert una part de l'estrella.

Diversos mesos d'observacions espectroscòpiques de llum ultraviolada de Hubble de Betelgeuse, a partir del gener del 2019, donen lloc a una línia de temps que es va enfosquint. Aquestes observacions proporcionen pistes noves i importants sobre el mecanisme que hi ha darrere de l’enfosquiment.

Hubble va capturar signes de material dens i escalfat que es desplaçava per l'atmosfera de l'estrella al setembre, octubre i novembre de 2019. Aleshores, al desembre, diversos telescopis terrestres van observar que l'estrella disminuïa de lluentor al seu hemisferi sud. Feu clic aquí per saber-ne més.

"Amb el Hubble, veiem el material mentre sortia de la superfície visible de l'estrella i passava per l'atmosfera, abans que es formés la pols que va fer que l'estrella s'enfosquís", va dir Dupree. "Vam veure l'efecte d'una regió densa i calenta a la part sud-est de l'estrella que es desplaça cap a l'exterior".

"Aquest material era de dues a quatre vegades més lluminós que la brillantor normal de l'estrella", va continuar. "I aleshores, aproximadament un mes després, la part sud de Betelgeuse es va enfosquir de forma visible a mesura que l'estrella es feia més fosca. Creiem que és possible que un núvol fosc resulti del flux que va detectar Hubble. Només Hubble ens proporciona aquesta evidència que va portar a l'enfosquiment".

El document de l’equip ha estat publicat online el 13 d’agost a  The Astrophysical Journal.

Estrelles massives supergegantes com Betelgeuse són importants perquè expulsen elements pesats com el carboni a l’espai que es converteixen en els blocs de construcció de noves generacions d’estrelles. El carboni també és un ingredient bàsic per a la vida tal com la coneixem.

Rastreig d'un esclat traumàtic

L'equip de Dupree va començar a utilitzar Hubble a principis de l'any passat per analitzar l'estrella. Les seves observacions formen part d’un estudi del Hubble de tres anys de durada, per controlar les variacions de l’atmosfera exterior de l’estrella. Betelgeuse és una estrella variable que s’expandeix i es contrau, que s’il·lumina i s’enfosqueix, en un cicle de 420 dies.

La sensibilitat a la llum ultraviolada de Hubble va permetre als investigadors sondar les capes per sobre de la superfície de l'estrella, tan calentes, de més de 20.000 graus Fahrenheit (més de 11.000 ºC), que no es poden detectar a les longituds d'ona visibles. Aquestes capes s'escalfen parcialment per les turbulentes cèl·lules de convecció de l'estrella que bombollegen fins a la superfície.

Betelgeuse es fàcil de localitzat al cel nocturn.
Fins i tot en llocs amb contaminació lumínica.
Crèdit: Google-SkyMap

Els espectres del Hubble, presos a principis i finals de 2019, i el 2020, van sondejar l'atmosfera exterior de l'estrella mesurant les línies de magnesi II (magnesi ionitzat individualment). De setembre a novembre de 2019, els investigadors van mesurar el material que es mou a uns 320.000 quilòmetres per hora des de la superfície de l'estrella fins a la seva atmosfera exterior.

Aquest material dens i calent va continuar viatjant més enllà de la superfície visible de Betelgeuse, arribant a milions de quilòmetres de l'estrella a on va romandre. A aquesta distància, el material es va refredar prou com per formar pols, segons van dir els investigadors.

Aquesta interpretació és coherent amb les observacions de llum ultraviolada de Hubble el febrer del 2020, que van demostrar que el comportament de l'atmosfera exterior de l'estrella tornava a la normalitat, tot i que les imatges de llum visible mostraven que encara s'enfosquia.

Tot i que Dupree desconeix la causa de l'esclat, creu que va ser ajudat pel cicle de pulsació de l'estrella, que va continuar normalment tot i l'esdeveniment, segons les observacions de llum visible. El coautor del document, Klaus Strassmeier, del Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam, va utilitzar el telescopi automatitzat de l'institut anomenat STELLar Activity (STELLA), per mesurar els canvis en la velocitat del gas a la superfície de l'estrella a mesura que es va elevar i va caure durant el cicle de pulsació. L’estrella s’estava expandint en el seu cicle alhora que augmentava la cèl·lula convectiva. El pols que dilata a Betelgeuse pot haver ajudat a impulsar el plasma a sortir a l’atmosfera.

Dupree estima que es va perdre aproximadament dues vegades la quantitat normal de material de l'hemisferi sud durant els tres mesos del esclat. Betelgeuse, com totes les estrelles, està tolt el temps perdent massa, en el seu cas a un ritme 30 milions de vegades superior al Sol.

Betelgeuse és tan a prop de la Terra, i és tan gran, que Hubble ha sabut resoldre les característiques de la superfície, convertint-la en l'única estrella, tret del nostre Sol, on es pot veure el detall de la superfície.

Les imatges de Hubble realitzades per Dupree el 1995 van revelar per primera vegada una superfície tacada que contenia cèl·lules de convecció massiva que es contrauen i el que fa que s’enfosqueixin i s’il·luminin.

Un precursor de Supernova?

La supergeganta vermella està destinada a acabar la seva vida en una explosió de supernova. Alguns astrònoms creuen que l’atenuament sobtat pot ser un esdeveniment pre-supernova. L’estrella està relativament a prop, a uns 725 anys llum de distància, cosa que significa que l’enfosquiment hauria passat al voltant de l’any 1300. Però la seva llum acaba d’arribar a la Terra ara.

 Clic per engrandir. Romanent de la supernova Cassiopea A. Crèdit: NASA/Chandra

"Ningú sap què fa una estrella abans de convertir-se en una supernova, perquè mai s'ha observat", va explicar Dupree. "Els astrònoms tenen mostres d'estrelles potser un any abans de convertir-se en supernoves, però no d'uns dies o setmanes abans que passés. Però la probabilitat que l'estrella es converteixi en supernova en qualsevol moment es ben petita".

Dupree tindrà una altra oportunitat d'observar l'estrella amb el Hubble a finals d'agost o principis de setembre. Ara, Betelgeuse es troba al cel diürn, massa a prop del Sol per a observacions amb el Hubble. Però l’Observatori de Relacions Solar Terrestres (STEREO) de la NASA  ha pres imatges de l’estrella gegant des de la seva ubicació a l’espai. Aquestes  observacions mostren que Betelgeuse es va tornar a enfosquir entre mitjan maig i mitjans de juliol, tot i que no tan dramàticament com durant l'any.

Dupree espera utilitzar STEREO per a més observacions de seguiment per controlar la brillantor de Betelgeuse. El seu pla és tornar a observar Betelgeuse l'any que ve amb STEREO quan l'estrella s'hagi tornat a expandir cap a l'exterior en el seu cicle, per veure si es desencadena un altre esclat.

Ho he vist aquí.