Betelgeuze: een dovende superreus?

Onderwerp: Sterrenkunde
Begrippen: Energie

Betelgeuze was ooit één van de helderste sterren aan de hemel, maar sinds eind december 2019 wordt de ster steeds zwakker en sterrenkundigen vragen zich af waarom. Het kan zijn dat de ster op het punt staat om te exploderen in een supernova. Maar er zijn ook andere verklaringen. In dit artikel bespreken we er enige.

Zwak, zwakker, zwakst

Betelgeuze is een ster die astronomen sinds de oudheid bezighoudt. Ze is te vinden in de linkerschouder van het sterrenbeeld Orion en valt op door haar rode kleur. Al een tijdje is bekend dat Betelgeuze een variabele ster is. Dat wil zeggen dat haar helderheid verandert. Op 8 december 2019 meldden onderzoekers van Villanova University in The Astronomer's Telegram als eerste dat de helderheid van de ster drastisch was afgenomen.

Figuur 1: Betelgeuze in het sterrenbeeld Orion. Foto: Martijn Heemstra

 De helderheid van een ster wordt gemeten in schijnbare magnitude, een logaritmische schaalverdeling waarbij een hogere waarde correspondeert met een zwakkere ster. In de onderstaande grafiek van AAVSO, een Amerikaanse vereniging die variabele sterren observeert, is te zien dat deze Betelgeuze van een gemiddelde van 0,5 magnitude naar 1,5 magnitude is gegaan: een afname in helderheid van ongeveer 30 procent wat met het blote oog te zien is. Alhoewel de ster steeds zwakker wordt, verloopt de afname in helderheid minder snel dan hiervoor. Wat is de oorzaak dat de helderheid een minimum heeft bereikt?

Figuur 2 : De helderheid van Betelgeuze heeft een minimum bereikt. Bron: AAVSO.

Ooit was Betelgeuze blauw

Het afnemen van de helderheid kan betekenen dat Betelgeuze op het punt staat op spectaculaire wijze te sterven. Ooit was Betelgeuze nog blauw en heet. Ze was toen nog een hoofdreeksster. In een hoofdreeksster wordt in de dichte, hete kern waterstof omgezet tot helium door kernfusie. De zon en de meeste sterren die je aan de hemel ziet, verkeren in een stabiel evenwicht tussen de druk van kernfusie naar buiten en de zwaartekracht van de buitenste lagen naar binnen. De voorraad waterstof in de ster is echter eindig en het lot van een ster wordt bepaald door haar massa.

Figuur 3: Sterren verkeren in een evenwicht tussen de druk van kernfusie naar buiten en de zwaartekracht naar binnen.

In een eerder artikel bespraken we het lot van een zonachtige ster en zagen we dat wanneer de voorraad waterstof op is, fusie van helium optreedt in de kern. Op den duur stopt de fusie tot zwaardere elementen en eindigt het leven van een zonachtige ster. Maar een ster zoals Betelgeuze van ongeveer 10 zonsmassa’s kan genoeg druk opbouwen in de kern om elementen te produceren zoals koolstof, zuurstof en magnesium. De steeds compactere, hetere kern zorgt ervoor dat de buitenste lagen van Betelgeuze opzwellen en afkoelen. Dit is het stadium waarin wij Betelgeuze nu waarnemen als een rode superreus. Als we de Zon in het midden van het zonnestelsel door deze superreus zouden vervangen, zouden haar buitenste lagen reiken tot aan de baan van Jupiter. De Aarde zou verzwolgen zijn door een deken van heet plasma.

Een tikkende tijdbom

Maar ook het leven van een zware ster als Betelgeuze komt ten einde. Want wanneer aan het eind van de verschillende fusieprocessen ijzer wordt geproduceerd in de kern van een zware ster is het afgelopen. Het fuseren van ijzer levert geen energie op, maar kost energie. Als de fusie stopt, zal de zwaartekracht de kern samenpersen. Als gevolg hiervan ontstaat een schokgolf die de buitenste lagen van Betelgeuze de ruimte in schiet: een supernova-explosie. Betelgeuze lijkt dus een tijdbom te zijn waarvan sterrenkundigen verwachten dat hij binnen nu en 100.000 jaar zal ontploffen. Op de tijdschaal van een mensenleven komt dat overeen met iemand die nog minder dan een jaar te leven heeft.

Zo fel als de volle maan

In het jaar 1054 zagen Chinese astronomen  een fel licht aan de hemel verschijnen in het sterrenbeeld Stier. Een paar dagen lang was het één van de helderste objecten aan de hemel, waarna het langzaam in helderheid afnam. Nu weten we dat het om een supernova ging. Zelf heb ik dit supernovarestant mogen observeren met een telescoop:

Figuur 4: De krabnevel, het restant van een supernova. Waargenomen op de Blaauw Sterrenwacht in Groningen.

Ook als Betelgeuze explodeert, zal ze minstens wekenlang zichtbaar zijn. Misschien wel zo fel als de volle maan. Alhoewel Betelgeuze relatief dichtbij staat, denken astronomen dat we hier op Aarde helemaal veilig zijn. Misschien dat het ritme van sommige nachtdieren wel verstoord zal worden door zo’n ‘extra maan’.

Is Betelgeuze een tweeling?

Toch zijn er veel tekenen die erop wijzen dat Betelgeuze voorlopig nog geen supernova is of wordt. Betelgeuze draait namelijk veel te hard om haar eigen as. Sterrenkundigen hebben een vermoeden waarom. Veel sterren worden met z’n tweeën geboren: ze vormen een binair systeem. Betelgeuze beweegt relatief snel langs de hemel waarbij ze een stervormingsgebied verlaat. Er is een kans dat ze in deze nevel gevormd is samen met haar tweeling en dat ze recent nog zijn samengesmolten. Die samensmelting heeft Betelgeuze laten draaien als een tol. Als dat zo is dan heeft Betelgeuze nog genoeg brandstof van haar tweeling om de kernfusie in stand te houden en zal ze voorlopig nog niet exploderen. Maar daarmee is nog steeds niet verklaard waarom ze zo zwak is!

Een gevlekt oppervlak

Het feit dat Betelgeuze zo enorm is en dat ze astronomisch gezien dichtbij staat (op een afstand van zo’n 650 lichtjaar) maakt het een interessant object om te observeren. In de onderstaande afbeelding zien we haar oppervlak door de telescoop. Maar waar komen die vlekken vandaan?

Figuur 5: Door een telescoop valt het bevlekte oppervlak van Betelgeuze goed te zien. Bron: Xavier Haubois (Observatoire de Paris) et al.

De vlekken zijn het gevolg van warmtestromen (ook wel convectie genoemd). De hitte die in de kern wordt geproduceerd wordt naar de koelere oppervlakte van een ster gebracht. Deze stromingen van heet gas in een ster heten convectiecellen en veroorzaken koele, donkere plekken op het oppervlak. Bij een superreus zoals Betelgeuze zijn deze convectiecellen reusachtig. Wanneer Betelgeuze om haar as draait, verschijnen en verdwijnen deze lichte en donkere plekken op het oppervlak in en uit ons beeld. Hierdoor is Betelgeuze soms helderder en soms wat zwakker.

Cyclussen in het binnenste van Betelgeuze

Betelgeuze heeft een heftige en chaotische cyclus. De Zon daarentegen is een verlegen ster. Ze heeft een rustige cyclus van 11 jaar die voornamelijk veroorzaakt wordt door haar magnetisch veld. We hebben hier op Aarde dus gelukkig niet veel last van zonnevlammen, intense uv-straling of extreme fluctuaties in temperatuur. Sterrenkundigen denken dat de cyclus van Betelgeuze een verzameling is van meerdere cycli, waaronder convectie. Deze cycli maken Betelgeuze een dynamische en actieve ster.

Je zou het kunnen vergelijken met de Milankovitch-cyclus die het klimaat op Aarde beschrijft. Deze wordt veroorzaakt door periodieke veranderingen in onder andere. de baan en de stand van de rotatieas van de Aarde. Samen vormen ze een complexe, maar periodieke en voorspelbare cyclus waarin soms een minimum en soms een maximum ontstaat. We begrijpen nog niet zo goed welke processen de cycli van Betelgeuze veroorzaken, maar het zou best kunnen dat deze processen op het moment samenvallen en een minimum bereiken.

De meest aannemelijke verklaring: een grote gaswolk

Recente waarnemingen met de Very Large Telescope (sterrenkundigen zijn erg creatief met namen) leiden astronomen op een ander spoor. In de onderstaande afbeelding is te zien hoe het oppervlak van Betelgeuze sinds december gedeeltelijk bedekt lijkt te zijn. Ook is ze van vorm veranderd.  We zagen eerder al dat rode reuzen geen compacte, stabiele sterren zijn zoals de Zon en dat het kan voorkomen dat deze door hun instabiliteit massa verliezen. Als dit bij Betelgeuze is gebeurd, dan zou haar eigen massa het sterrenlicht kunnen blokkeren in de vorm van een gaswolk. Dit idee werd bevestigd met waarnemingen in het infrarood.

Figuur 6: Recente waarnemingen laten zien dat het oppervlak van Betelgeuze bedekt is.  Bron: European Southern Observatory/AF

Het blijft een raadsel...

Ondertussen beginnen alle mogelijke theorieën je misschien wel te duizelen. Zo zie je maar weer dat sterrenkundigen eigenlijk detectives zijn die het moeten doen met waarnemingen. Ze kunnen niet ‘even’ een ruimtesonde naar Betelgeuze sturen om te kijken wat er aan de hand is. Misschien is de afname in helderheid een teken dat ze het einde van haar leven heeft bereikt of heeft ze het minimum van haar cyclus bereikt. Hoogstwaarschijnlijk is ze omgeven door een grote gaswolk die haar eigen sterrenlicht blokkeert. Maar het kan ook zijn dat er iets is aan het leven van  rode reuzen wat we simpelweg nog niet begrijpen. Daarom blijven sterrenkundigen gespannen gluren door het oculair en blijven telescopen voorlopig gericht op de schouder van Orion.