Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 16 – vyšlo 17. dubna, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Supernova jménem Betelgeuse

Petr Kulhánek

Hvězda Betelgeuse je v posledním desetiletí často zmiňována jako velmi nadějný kandidát na explozi supernovy. Podrobně jsme se touto událostí, která nastane v astronomicky blízké budoucnosti, zabývali v AB 12/2011. Tehdy šlo o atraktivní téma v souvislosti s mediálně ohlašovaným koncem světa v roce 2012 (měl nastat 21. prosince v okamžiku konce Mayského kalendáře). Od té doby se leccos změnilo. Máme podrobnější snímky této unikátní hvězdy, zaznamenali jsme změny její jasnosti, média nás stále častěji straší děsivou explozí, která dozajista přijde nejpozději tento týden – a pokud ne, tak určitě ten příští, jsou k dispozici nové numerické simulace a hvězda je své závěrečné explozi o osm let blíže. Proto se v dnešním bulletinu ke hvězdě Betelgeuse vracíme s nadějí, že explodovala právě před 640 lety a její světlo k nám dolétne v okamžiku vyjití tohoto bulletinu.

Orion nad Českým středohořím. Zdroj: Vojtěch Bauer/APOD 18 Feb 2020

Červený veleobr – hvězda v závěrečné fázi vývoje. Počáteční hmotnost na hlavní posloupnosti je více než 10 Sluncí. Jako veleobr hvězda zvětší své rozměry několiksetkrát, svítivost může dosahovat až několikasettisícinásobku svítivosti Slunce při velmi nízké povrchové teplotě. Červení veleobři jsou největšími známými hvězdami ve vesmíru. Spektrální typ se pohybuje zhruba v intervalu O5 až M5, veleobři s nejnižší hmotností mají spektrum F5.

Supernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi.

Supernova typu II – velmi hmotná, hroutící se hvězda po období termonukleární syntézy, pozůstatkem je neutronová hvězda, nebo černá díra, zbytek se rozmetá do okolí. Supernovy typu II mají ve spektru přítomné vodíkové čáry. Tyto supernovy dále dělíme podle dosvitu na dvě skupiny II L s lineárním poklesem jasnosti a II P, u kterých má dosvit plató s malým poklesem jasnosti. Typickým příkladem typu II P je velmi známá supernova SN 1987A ve Velkém Magellanově oblaku ve vzdálenosti 167×10³ světelných roků.

Jaká je Betelgeuse?

Betelgeuse je jasná načervenalá hvězda v pravém rameni Orionu (z našeho pohledu nalevo). Jde o červeného veleobraČervený veleobr – hvězda v závěrečné fázi vývoje. Počáteční hmotnost na hlavní posloupnosti je více než 10 Sluncí. Jako veleobr hvězda zvětší své rozměry několiksetkrát, svítivost může dosahovat až několikasettisícinásobku svítivosti Slunce při velmi nízké povrchové teplotě. Červení veleobři jsou největšími známými hvězdami ve vesmíru. Spektrální typ se pohybuje zhruba v intervalu O5 až M5, veleobři s nejnižší hmotností mají spektrum F5., v jehož nitru už byl vyčerpán vodík a dochází tam ke slučování helia a dalších prvků na těžší jádra až po železo, které má ze všech prvků největší vazebnou energii na nukleonNukleon – společný název pro částice jádra (protony a neutrony). Jde o baryony složené z kvarků „u“ a „d“.. Přestože je hvězda na konci života a čeká ji už jen závěrečná exploze, je stará pouze deset milionů roků (naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. téměř pět miliard let). Velmi hmotné hvězdy mají v nitru vysoký tlak a teplotu, termojaderná syntézaTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium. probíhá rychleji než u méně hmotných protějšků, a proto tyto hvězdy žijí jen relativně krátkou dobu. Hmotnost Betelgeuse je kolem dvaceti Sluncí, což jí dává do vínku pouhých deset milionů let života. Betelgeuse se nachází ve vzdálenosti 640 světelných rokůSvětelný rok – ly (light year), vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, ly = 9,46×10¹² km. Menšími jednotkami jsou: světelný den, světelná hodina, světelná minuta a světelná sekunda. Větší jednotkou je 1000 ly, což označujeme zkratkou kly. Tyto jednotky se velmi často používají v populárních textech. V odborných textech se spíše využívají parseky., což je v porovnání s rozměry Mléčné dráhy (přes sto tisíc světelných roků) v podstatě za humny. Proto bude exploze Betelgeuse zcela výjimečnou podívanou. Rozměry Betelgeuse jsou obrovské, je přibližně tisíckrát větší než naše Slunce. Pokud by sídlila ve středu naší Sluneční soustavy, byl by její povrch až někde u dráhy planety Jupiter. Průměrná hustota hvězdy je velmi malá, asi taková, jako je hustota vzduchu ve výšce padesát kilometrů nad zemí. Betelgeuse má malé kompaktní jádro a kolem rozsáhlou řídkou atmosféru, která je k jádru vázána jen slabě. Betelgeuse patří k proměnným hvězdám, ve výkyvech její jasnosti bylo zaznamenáno několik period, z nichž nejvýraznější trvá 5,9 roku. Za normální situace hvězda mění periodicky svou jasnost o jednu magnituduMagnituda – někdy též zdánlivá magnituda, logaritmická míra jasnosti objektu, m = −2,5 log J. Tato definiční rovnice se nazývá Pogsonova rovnice (zavedl ji anglický astronom Norman Pogson v roce 1856). Koeficient je volen tak, aby hvězdy s rozdílem pěti magnitud měly podíl vzájemných jasností 1:100. Znaménko minus v definici je z historických důvodů. Magnitudy takto vypočtené odpovídají historickému dělení hvězd do šesti skupin (nula nejjasnější, 5 nejméně jasné pozorovatelné okem). Nejjasnější hvězda na severní polokouli Arcturus má magnitudu −0.05, nejjasnější hvězda celé noční oblohy, Sírius, má magnitudu –1.6. Relativní magnituda vypovídá o skutečné jasnosti hvězdy na obloze, která kromě svítivosti závisí také na vzdálenosti hvězdy. Rozlišujeme bolometrickou magnitudu (v celém spektru) a vizuální magnitudu (pouze ve viditelném spektru). (jasnost se změní 2,5×). Povrchová teplota Betelgeuse je pouze 3 500 kelvinů. Takto nízká teplota způsobuje její načervenalou barvu. Betelgeuse je druhou nejjasnější hvězdou Orionu, je stotisíckrát svítivější než naše Slunce, což je dáno jejím obrovským povrchem (zářivý výkon roste se čtvrtou mocninou povrchové teploty a druhou mocninou plochy povrchu hvězdy). Bez zajímavosti není obvodová rychlost rotace Betelgeuse odhadovaná na 15 km/s. To je o třetinu více, než mají ostatní podobné hvězdy. Není vyloučeno, že je to důsledek sloučení Betelgeuse s malým průvodcem v minulosti. To by mohlo vysvětlit i poněkud silnější magnetické pole na povrchu. Základní parametry Betelgeuse jsou v následující tabulce (rozšířené z AB 12/2011):

Základní parametry hvězdy Betelgeuse (alfa Orionis)
typ hvězdy	červený veleobr
vzdálenost	~640 l.y.
stáří	~10×10⁶ let
hmotnost	~20 M_S
poloměr	~1000 R_S (4,7 au)
obvodová rychlost	~15 km/s
povrchová teplota	~3 500 K
magnetické pole	~10⁻⁴ T
spektrální třída	M2 Iab
magnituda	0 až 1,6 (perioda 5,9 let)
absolutní magnituda	–5,1
svítivost	~100 000 L_S

Numerická simulace červeného veleobra provedená Berndem Freytagem na Univerzitě v Uppsale. Na povrchu obra se v řádu měsíců mění chladné (červené) a horké (žluté) oblasti. Povrch hvězdy je nepravidelný a připomíná vařící se kapalinu. Vnější oblasti jsou jen slabě vázány ke kompaktnímu jádru. Zdroj: Uppsala Universitet.

Výzkum Betelgeuse

Dlouho se tradovalo, že hvězdy jsou od nás natolik daleko, že je vždy uvidíme jen jako body. Tuto pomyslnou bariéru prolomil Hubblův dalekohledHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. dne 3. března 1995, kdy vyfotografoval jako první přístroj povrch hvězdy Betelgeuse. Na snímku byl patrný nejen nenulový rozměr hvězdy a její atmosféra, ale i zajímavá povrchová skvrna. Velikost horké skvrny byla srovnatelná s dráhou Země kolem Slunce a byla asi o 2 000 K teplejší než okolní povrch. Zjevná nehomogenita povrchu byla prvním svědectvím bouřlivých procesů na povrchu i v nitru umírající Betelgeuse. Fotografie způsobila zvýšený zájem o tuto hvězdu a následovaly pokusy dalších observatoří pořídit snímky jejího povrchu. Mnoho velkých dalekohledů bylo úspěšných. V průběhu několika let se ukázalo, že Betelgeuse je „velmi neklidná“. Další zajímavosti odhalila interferometrická měření průměru Betelgeuse na americké observatoři Mt. Wilson. Interferometr ISI (Infrared Spatial Interferometer) ukázal v infračervené oblasti spektra, že průměr Betelgeuse na vlnové délce 11,3 µm poklesl v letech 1993 až 2009, kdy byla prováděna měření, o 15 %. S největší pravděpodobností šlo o pokles související s jednou z mnoha pulzací.

K velkému překvapení došlo na sklonku roku 2019, kdy byl pozorován rychlý pokles jasnosti hvězdy Betelgeuse. Jako první o atypickém poklesu jasnosti, který započal už v říjnu 2019, referovali 7. prosince 2019 astronomové Edward Guinan a Richard Wasatonic ze staré katolické univerzity Villanova, která sídlí na předměstí americké Filadelfie. Následovalo pečlivé pozorování pohasínající hvězdy mnoha přístroji. Média houfně psala o závěrečném kolapsu, který bude následován fascinující explozí. Pokles jasnosti pokračoval ještě další tři měsíce, zastavil se až 22. února 2020. Za nezvykle krátký časový úsek poklesla jasnost Betelgeuse z magnitudy 0,5 na magnitudu 1,5. Tomu odpovídá snížení jasnosti faktorem 2,5. Většina astronomů to vysvětluje zastíněním hvězdy prachovým oblakem. O závěrečný kolaps rozhodně nešlo.

Světelná křivka Betelgeuse s atypickým poklesem na sklonku roku 2019.
Zdroj: AAVSO/V. Johnson. Foto: ESO/M. Montargés et. al.

Mediální bouřku ještě přiživila detekce anomálního záblesku gravitačních vln, který pozorovaly detektory LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Uvažuje se o stavbě dalšího stroje v Indii. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Do konce roku 2021 bylo zachyceno 90 průkazných signálů. a VIRGOVIRGO – největší evropský interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 3 km. Je umístěn u vesničky Cascina, 10 km od italské Pisy proslulé svou šikmou věží. Detektor byl uveden do provozu v roce 2007. Od roku 2010 do roku 2017 probíhala rekonstrukce, jejímž cílem bylo podstatné zvýšení citlivosti. První experimentální běh po rekonstrukci proběhl v srpnu 2017 (společné pozorování s americkým LIGO) a 14. srpna se podařilo zachytit první gravitační signál. Detektor Virgo je součástí observatoře EGO (European Gravitational Observatory). Pro přístroj po rekonstrukci se také často používá zkratka AdV (Advanced Virgo). dne 14. ledna 2020. Jako místo vzniku byla označena oblast v těsném sousedství hvězdy Betelgeuse. Gravitační záblesk ale s Betelgeuse nijak nesouvisel. Je pro to několik důvodů. Oblast záblesku není přesně ve směru Betelgeuse, nebyla detekována neutrina, která by při závěrečném kolapsu musela vzniknout, záblesk byl příliš krátký, nebyl doprovázen elektromagnetickým signálem a mohlo jít i o falešný signál neodpovídající skutečnému objektu. Největším argumentem je samozřejmě pozorovaný konec poklesu jasnosti Betelgeuse.

Až dojde k explozi

Co vlastně uvidíme na obloze, až Betelgeuse exploduje? Dozajista půjde o mimořádný astronomický zážitek. Betelgeuse se v rameni Orionu rozzáří jako ostrý svítící bod, jehož jasnost by mohla dosáhnout až svitu Měsíce v úplňku. Bez problému bychom v okolí viděli i ostatní jasné hvězdy, stejně tak, jako je vidíme v okolí Měsíce. I ve dne uvidíme Betelgeuse na obloze jako svítící tečku. Po několika týdnech pravé rameno Orionu zanikne a na jeho místě se vytvoří mlhovina, v jejímž nitru zůstane neutronová hvězda nebo černá díra. Který scénář je pravděpodobnější, není v tuto chvíli jasné. Přímé ohrožení Země ze vzdálenosti 640 světelných roků snad nehrozí. Někteří vědci uvažují o tom, že by při takovýchto událostech mohlo dojít k poškození ionosféry a ozonosféry Země (viz AB 30/2005). Betelgeuse je z vědeckého hlediska nesmírně cenný objekt a lidstvu jednou přichystá zajímavou astronomickou podívanou. Dokonce je možné, že v současné době již Betelgeuse neexistuje a signál o její smrti je na cestě k nám.

Kolik času zbývá Betelgeuse do závěrečné exploze, kdy naposledy zazáří a její život pohasne? Zdá se, že jen okamžik. Ale astronomický okamžik! Snad několik století, možná už jen několik let. Horní odhad se pohybuje kolem sta tisíce roků. Můžeme se jen bát a těšit zároveň, že tuto velkolepou podívanou spatří ještě naše generace.

Portréty Betelgeuse z různých přístrojů: HST (1995), VLT (2013),
ESO DSS 2 (2010), ALMA (2017).

Odkazy