Betelgeuze, de heldere ster in het sterrenbeeld Orion, is de afgelopen maanden fascinerende astronomen geweest vanwege de ongewoon sterke afname in helderheid. Wetenschappers hebben een aantal scenario's besproken om het gedrag te verklaren. Nu heeft een team onder leiding van Thavisha Dharmawardena van het Max Planck Instituut voor Astronomie aangetoond dat hoogstwaarschijnlijk ongewoon grote stervlekken op het oppervlak van Betelgeuze de verduistering hebben veroorzaakt. Hun resultaten sluiten het eerdere vermoeden uit dat het stof was, onlangs uitgeworpen door Betelgeuze, die de ster verduisterde.

Rode reuzensterren zoals Betelgeuze ondergaan frequente helderheidsvariaties. Echter, de opvallende daling van de helderheid van Betelgeuze tot ongeveer 40% van de normale waarde tussen oktober 2019 en april 2020 kwam als een verrassing voor astronomen. Wetenschappers hebben verschillende scenario's ontwikkeld om deze verandering in de helderheid van de ster te verklaren, die met het blote oog zichtbaar is en op bijna 500 lichtjaar afstand. Sommige astronomen speculeerden zelfs over een op handen zijnde supernova. Een internationaal team van astronomen onder leiding van Thavisha Dharmawardena van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg heeft nu aangetoond dat temperatuurschommelingen in de fotosfeer, dat wil zeggen het lichtgevende oppervlak van de ster, zorgde ervoor dat de helderheid daalde. De meest plausibele bron voor dergelijke temperatuurveranderingen zijn gigantische koele stervlekken, vergelijkbaar met zonnevlekken, die, echter, bedekken 50 tot 70% van het oppervlak van de ster.

"Tegen het einde van hun leven, sterren worden rode reuzen, Dharmawardena legt uit. "Als hun brandstofvoorraad opraakt, de processen veranderen waardoor de sterren energie vrijgeven." ze zwellen op, onstabiel worden en pulseren met perioden van honderden of zelfs duizenden dagen, die we zien als een fluctuatie in helderheid. Betelgeuze is een zogenaamde Rode Superreus, een ster die, vergeleken met onze zon, is ongeveer 20 massiever en ongeveer 1000 keer groter. Indien geplaatst in het midden van het zonnestelsel, het zou bijna de baan van Jupiter bereiken.

Door zijn grootte, de zwaartekracht op het oppervlak van de ster is kleiner dan op een ster met dezelfde massa maar met een kleinere straal. Daarom, pulsaties kunnen relatief gemakkelijk de buitenste lagen van zo'n ster uitwerpen. Het vrijkomende gas koelt af en ontwikkelt zich tot verbindingen die astronomen stof noemen. Dit is de reden waarom rode reuzensterren een belangrijke bron van zware elementen in het heelal zijn, waaruit uiteindelijk planeten en levende organismen ontstaan. Astronomen hebben eerder de productie van lichtabsorberend stof beschouwd als de meest waarschijnlijke oorzaak van de sterke afname van de helderheid.

Om deze hypothese te testen, Thavisha Dharmawardena en haar medewerkers evalueerden nieuwe en archiefgegevens van het Atacama Pathfinder Experiment (APEX) en de James Clerk Maxwell-telescoop (JCMT). Deze telescopen meten straling uit het spectrale bereik van submillimetergolven (terahertzstraling), waarvan de golflengte duizend keer groter is dan die van zichtbaar licht. Onzichtbaar voor het oog, astronomen gebruiken ze al een tijdje om interstellair stof te bestuderen. Vooral koel stof gloeit op deze golflengten.

"Wat ons verraste, was dat Betelgeuze 20% donkerder werd, zelfs in het submillimetergolfbereik, " meldt Steve Mairs van de East Asian Observatory, die meewerkten aan het onderzoek. De ervaring leert dat dergelijk gedrag niet verenigbaar is met de aanwezigheid van stof. Voor een meer nauwkeurige evaluatie, zij en haar medewerkers berekenden welke invloed stof zou hebben op metingen in dit spectrale bereik. Het bleek dat een vermindering van de helderheid in het submillimeterbereik inderdaad niet kan worden toegeschreven aan een toename van de stofproductie. In plaats daarvan, de ster zelf moet de helderheidsverandering hebben veroorzaakt die de astronomen hebben gemeten.

Fysische wetten vertellen ons dat de helderheid van een ster afhangt van zijn diameter en vooral van zijn oppervlaktetemperatuur. Als alleen de grootte van de ster afneemt, de helderheid neemt in alle golflengten gelijkelijk af. Echter, temperatuurveranderingen hebben een andere invloed op de straling die langs het elektromagnetische spectrum wordt uitgezonden. Volgens de wetenschappers de gemeten verdonkering in zichtbaar licht en submillimetergolven is daarom het bewijs van een verlaging van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van Betelgeuze, die ze kwantificeren bij 200 K (of 200 ° C).

"Echter, een asymmetrische temperatuurverdeling is waarschijnlijker, ", legt co-auteur Peter Scicluna van de European Southern Observatory (ESO) uit. "Overeenkomende afbeeldingen met hoge resolutie van Betelgeuze uit december 2019 tonen gebieden met verschillende helderheid. Samen met ons resultaat, dit is een duidelijke indicatie van enorme stervlekken die tussen 50 en 70% van het zichtbare oppervlak beslaan en een lagere temperatuur hebben dan de helderdere fotosfeer." Stervlekken komen veel voor bij reuzensterren, maar niet op deze schaal. Over hun leven is niet veel bekend. Echter, theoretische modelberekeningen lijken verenigbaar met de duur van de helderheidsdip van Betelgeuze.

Van de zon weten we dat het aantal vlekken in een cyclus van 11 jaar toeneemt en afneemt. Of reuzensterren een soortgelijk mechanisme hebben, is onzeker. Een indicatie hiervoor zou het vorige helderheidsminimum kunnen zijn, die ook veel meer uitgesproken was dan die in voorgaande jaren. "Waarnemingen in de komende jaren zullen ons leren of de scherpe afname van de helderheid van Betelgeuze verband houdt met een spotcyclus. Betelgeuze zal een opwindend object blijven voor toekomstige studies, ' besluit Dharmawardena.