Burzliwe życie gwiazdy

Dla części astronomów ostatnie tygodnie były jak czuwanie na intensywnej terapii przy pacjencie, który zapadł na tajemniczą chorobę. Chory gasł w oczach. Dosłownie, bo zamiast tętna, ciśnienia czy EKG kluczowym wskaźnikiem była jego jasność. Pacjentowi nie można było mimo najlepszych chęci pomóc, choćby dlatego, że znajdował się 700 lat świetlnych od nas. Brutalna prawda jest taka, że wielu czuwających wcale nie życzyło mu wyzdrowienia. Liczyli na wyjątkowo spektakularny koniec.

Pacjent to Betelgeza. Czerwony nad­olbrzym z gwiazdozbioru Oriona. Od października 2019 do lutego 2020 r. gwiazda osłabła dramatycznie, tracąc aż jedną czwartą jasności i spadając z 9. na 21. miejsce w rankingu najjaśniejszych gwiazd na nocnym niebie. Betelgeza jest humorzasta, astronomowie są przyzwyczajeni do tego, że jej jasność waha się, ale nigdy dotąd, w ciągu stulecia precyzyjnych pomiarów, nie zmieniła się tak bardzo. A to niepokojący objaw.

Wiadomo, że Betelgeza zbliża się do końca życia. Bardzo burzliwego zresztą. Za młodu była gorącą, błękitnobiałą gwiazdą. Żyła szybko i jest jej pisane umrzeć młodo. Gwiazdy jej typu umierają w wieku 7–8 milionów lat, podczas gdy kilkunastokrotnie mniej masywne gwiazdy podobne naszemu Słońcu w równym tempie produkują energię przez kilka miliardów lat. Betelgeza ma już 8–8,5 miliona lat i około 40 tysiącleci temu przeszła ogromną przemianę. Rozdęła się do potężnych rozmiarów (dziś, gdyby znalazła się w centrum Układu Słonecznego, jej atmosfera sięgałaby poza orbitę Jowisza), a jej powierzchnia ochłodziła się i zmieniła barwę na czerwoną. To świadczy, że koniec jest bliski. Może jutro, może za sto tysięcy lat, zmieni się w supernową. Jej gwałtowne blaknięcie odebrano jako znak, że proces mógł się właśnie zacząć.

W fuzyjnym piecu

Żeby wyjaśnić, czym właściwie jest supernowa, musimy się cofnąć do samego początku. Do narodzin gwiazd.

Każda z nich to wielka kula gazu – głównie wodoru. Tak masywna, że zapada się w sobie pod wpływem własnej grawitacji. Gaz jest ściskany z niewyobrażalną siłą. W sercu gwiazdy jądra wodoru zaczynają zderzać się ze sobą i spajać, tworząc jądra helu. Fuzja uwalnia ogromną energię, bo jądro powstające w jej wyniku nie ma masy równej masom elementów składowych. Reszta zmienia się w energię zgodnie z równaniem E = mc2. W jądrze naszego Słońca co sekundę 700 mln ton wodoru zmienia się w 695 mln ton helu. Brakujące 5 milionów ton zmienia się w energię. Nawet ta jej znikoma część, która dociera do Ziemi, wystarczy do podtrzymania istnienia całej biosfery.

Energia fuzji podtrzymuje przy życiu także samą gwiazdę. Odpycha od jądra jej zewnętrzne warstwy, ściągane w dół przez ciążenie. Grawitacja chce zgnieść gwiazdę. Energia fuzyjnej reakcji – rozdmuchać ją w kosmiczną przestrzeń. Obie siły, równoważąc się, utrzymują gwiazdę w stabilnej konfiguracji. Przynajmniej dopóki ta stabilnie produkuje energię.

A tempo, z jakim pracuje fuzyjny piec, jest zależne od masy gwiazdy. Gwiazda dwa razy masywniejsza od Słońca przetwarza wodór dziesięciokrotnie szybciej i jest dziesięciokrotnie jaśniejsza. Gwiazda o 20 masach Słońca spala swoje paliwo 36 tys. razy szybciej. Dlatego Słońce pożyje miliardy lat. Betelgeza – kilka milionów.

Posłuchaj także: Co z tą Betelgezą - Łukasz Lamża w "Podkaście Powszechnym"

Ostatecznie w jądrze gwiazdy zaczyna brakować wodoru, stopniowo wypieranego przez hel. Poddanie cięższych jąder helu procesowi fuzji wymaga wyższych temperatur i ciśnienia. W gwiazdach o połowę mniejszych od Słońca takie warunki nigdy nie zachodzą. Ale w masywniejszych z wiekiem rośnie masa jądra, co zwiększa ciśnienie. W końcu hel zaczyna reagować. Fuzja jego jąder produkuje jeszcze więcej energii niż fuzja wodoru, więc gwiazda staje się jaśniejsza. Wypada jednocześnie z grawitacyjnej równowagi: jej masa nie wystarcza już do utrzymania zewnętrznych powłok blisko jądra, te rozdymają się więc do gigantycznych rozmiarów. Jednocześnie, mimo że jądro produkuje więcej energii, powierzchnia gwiazdy, teraz odleglejsza, ochładza się. Gwiazda czerwienieje. To właśnie jest czerwony olbrzym.

Po upływie kolejnych eonów znów, tak jak było w przypadku fuzji wodoru, generator w jądrze gwiazdy zapycha się produktami fuzji. Tym razem węglem i tlenem. I znów tylko rzeczywiście duże gwiazdy mają dość masy, by „wrzucić wyższy bieg” i przejść na fuzję tych pierwiastków, tworząc neon. Jeszcze masywniejsze są w stanie zmusić neon do przeistoczenia się w magnez, a tlen w krzem, te zaś o masach 20-krotnie większych niż Słońce, jak Betelgeza, dokonują transmutacji krzemu w żelazo.

Każdy kolejny krok trwa krócej, bo wraz z nim w procesie rośnie temperatura, a co za tym idzie – tempo przetwarzania paliwa. Gwiazda 20-krotnie masywniejsza od Słońca najpierw spędzi miliony lat przetwarzając wodór, potem jeden milion prowadząc fuzję helu, tysiąc lat węgla, ale paliwa na fuzję neonu wystarczy jej zaledwie na rok. A kiedy jądro gwiazdy zostanie zagracone żelazem, to koniec.

Fuzja żelaza, w przeciwieństwie do lżejszych jąder, nie prowadzi już do uwalniania energii, lecz ją pochłania. Gdy więc „zapali się” żelazo, nuklearne jądro gwiazdy przestaje odpychać jej zewnętrzne gwiazdy, lecz tylko coraz szybciej je zasysa.

I zaczyna się katastrofa.

Rozpędzone neutrina

Kiedy żelazo w jądrze osiąga masę około 1,4 masy Słońca, zapada się ono pod siłą własnej grawitacji. W mgnieniu oka jądro kurczy się z obiektu o średnicy tysięcy kilometrów do kilkukilometrowej kuli. Rozgrzewa się jednocześnie do miliardów stopni i zaczyna emitować wysokoenergetyczne promienie gamma. Zewnętrzne warstwy gazu, dotąd odpychane przez generowane przez jądro ciśnienie, zaczynają spadać jak piekielna lawina. Rozpędzony przez grawitację gaz uderza w resztki jądra z prędkością stanowiącą solidny odsetek prędkości światła.

Uderzenie ma taką siłę, że składniki jąder atomowych rozpadają się, produkując przy tym neutrina. Te wystrzeliwują z rdzenia umierającej gwiazdy, w dziesięć sekund niosąc ze sobą energię równą energii, jaką Słońce wyprodukuje przez całe swoje życie. Neutrina niemal nie reagują z normalną materią, ale jest ich tak wiele, że nawet ta drobna ich część, która uderza w atomy otaczającego je gazu, rozrywa to, co pozostało z gwiazdy, tworząc na chwilę ciśnienia i temperatury tak wysokie, że w ostatnich chwilach supernowa produkuje wszystkie najcięższe pierwiastki w świecie przyrody, takie jak złoto, ołów czy uran.

Jakiekolwiek planety w pobliżu gwiazdy zostają błyskawicznie spalone, wysterylizowane i obdarte z atmosfery. Gwałtowna utrata masy przez gwiazdę uwalnia je z orbitalnego poddaństwa i wystrzeliwuje w przestrzeń kosmiczną.

W odległości dziesiątków czy setek lat świetlnych, supernowe tworzą na niebie niezapomniany widok. To właśnie one, „nowe” gwiazdy, jasne jak Księżyc, a czasem widoczne nawet w biały dzień, inspirowały astronomów: chińskie źródła odnotowały w ciągu ostatnich dwóch tysięcy lat 20 super­nowych widocznych gołym okiem. Nowe obiekty na niebie burzyły przekonanie o wiecznej niezmienności nieboskłonu i skłaniały obserwatorów, w tym tak wielkich jak Johannes Kepler czy Tycho Brahe, do dalszych badań. Wreszcie inspirowały artystów: Szekspir miał niezwykłe szczęście, bo mógł za swojego życia zobaczyć dwie supernowe: w 1572 i 1604 r., tę drugą opisując prawdopodobnie w komedii „Wszystko dobre, co się dobrze kończy”.

My żyjemy jednak w czasach kosmicznej posuchy, bo supernowa z 1604 r. była ostatnią zaobserwowaną w naszej galaktyce.

Czytaj także: Mam słabość do planet - Łukasz Lamża rozmawia z prawdziwą gwiazdą

W 1987 r. mieszkańcy południowej półkuli mieli okazję zobaczyć niewielką supernową, ale jej światło docierało do nas z jednej z pomniejszych galaktyk orbitujących wokół Drogi Mlecznej. Na naszym podwórku w tym czasie nic nie wybuchło. Nic dziwnego, że szansa na nową Betelgezy wywołała sensację. Takiego show nie było od 416 lat!

Zagadka

Ale chyba nadal nie będzie, bo po zasłabnięciu Betelgeza jakby poczuła się lepiej. „Fotometria z ostatnich dwóch tygodni pokazuje, że Betelgeza powstrzymała duży spadek jasności” – pisze w „Astronomer’s Telegram” zespół badaczy pod kierownictwem Edwarda Guinana z Villanova University w Pensylwanii. „Z tych i innych obserwacji wynika, że gwiazda zdecydowanie przestała tracić na jasności i zaczęła powoli ją odzyskiwać. Ten epizod »gaśnięcia« jest zakończony”.

Wciąż jednak nie wiemy, co właściwie się stało, bo wszystko wskazuje na to, że wewnątrz gwiazdy, na jej powierzchni bądź w bezpośrednim otoczeniu doszło do czegoś niezwykłego.

Jedną z możliwości jest to, że gwiazda wyrzuciła z siebie w naszym kierunku wielki pióropusz materiału, który przesłonił ją częściowo, stwarzając wrażenie jej przygasania. Inną, że jej powierzchnię pokryła wyjątkowo duża grupa plam. Jeszcze inną, że nieznany nam mechanizm doprowadził do schłodzenia części jej powierzchni.

Zdjęcia tarczy gwiazdy, wykonane przez zespół z uniwersytetu w belgijskim Leuven przy pomocy położonego na pustyni Atakama w Chile teleskopu VLT, dołożyły do tego jeszcze jedną tajemnicę. Jeszcze rok temu Betelgeza była na nich zwyczajną, okrągłą gwiazdą. Teraz w świetle widzialnym nie widać już jasnego, okrągłego dysku. Zamiast tego gwiazda przypomina nadepnięty owal, jakby część jej powierzchni w międzyczasie gwałtownie się ochłodziła.

Fajerwerków (na razie) nie będzie. Ale astronomowie dostali od gwiazdy o wiele lepszy prezent: zagadkę. ©

O Betelgezie słuchaj także w Podkaście Powszechnym na powszech.net/gwiazda oraz m.in. w Spotify i Appla Podcast.

POLE RAŻENIA

ENERGIA UWALNIANA PODCZAS ŚMIERCI GWIAZDY jest ogromna. Astronomowie szacują, że bezpieczna strefa zaczyna się dopiero 50 lat świetlnych od wybuchu. Ale nawet kilkukrotnie dalej dają się odczuć efekty kataklizmu.

Promieniowanie emitowane przez supernową może obedrzeć planety w promieniu 30 lat świetlnych z warstwy ozonowej, narażając ich powierzchnię na działanie promieni UV. Może też przetrzebić oceaniczny plankton, niszcząc cały łańcuch pokarmowy mórz. Ziemia ostatnio znalazła się w strefie odczuwalnego wpływu supernowej 1,7-3,2 mln lat temu. Eksplodowała gwiazda znajdująca się około 325 lat świetlnych od nas.

Nawet jeśli Betelgeza wybuchnie, materiał wyrzucony przez nią zdąży wystygnąć i rozrzedzić się, zanim dotrze do Ziemi. Naładowane cząsteczki podróżują o wiele wolniej niż światło. Od chwili, gdy zaobserwujemy wybuch, do momentu, kiedy będziemy musieli się martwić, minie 100 tys. lat.

W 2016 r. naukowcy z Australijskiego Uniwersytetu Narodowego opublikowali badanie chemicznych śladów dwóch supernowych sprzed 3,2-1,7 mln lat. Obie miały miejsce około 300 lat świetlnych od nas. Promieniowanie, które dotarło do naszej planety, było około czterokrotnie silniejsze niż to, które towarzyszyłoby eksplozji Betelgezy. Mimo to, niemal na pewno nie wywarło bezpośredniego wpływu na życie. Być może doszło do krótkotrwałego ochłodzenia klimatu Ziemi, ale trudno udowodnić tutaj związek przyczynowo-skutkowy.

Statystycznie, supernowa powinna wybuchać w promieniu 300 lat świetlnych od Ziemi co 2-4 mln lat. W promieniu 33 lat świetlnych – co 240 mln lat. W ciągu ostatnich 11 mln lat w promieniu tysiąca lat świetlnych od Ziemi doszło do 20 eksplozji.

Astronomowie wiedzą o sześciu gwiazdach w promieniu tysiąca lat świetlnych, które są bliskie wybuchu. Najbliższa, biały karzeł IK Pegasi B, leży 150 lat świetlnych od nas. Wciąż wystarczająco daleko. © WB