Кто перекраивает Бетельгейзе? Телескоп ALMA обнаружил невидимую звезду, меняющую облик гиганта

Красный сверхгигант Бетельгейзе (альфа Ориона) находится на завершающем этапе звездной эволюции. Водород в его ядре полностью исчерпан, термоядерные реакции идут в окружающих слоях, а внешняя газовая оболочка расширилась до огромных размеров. Если поместить эту звезду в центр Солнечной системы, ее граница окажется в районе орбиты Юпитера. Из-за колоссального объема плотность внешних слоев сверхгиганта чрезвычайно мала, а сила тяжести на видимой границе в тысячи раз ниже, чем на поверхности Солнца.

Такое строение коренным образом меняет теплообмен внутри звезды. Энергия из недр наружу переносится конвекцией — физическим процессом, при котором нагретый газ поднимается, отдает тепло в окружающее пространство, охлаждается и опускается обратно. Из-за низкой гравитации и огромного объема оболочки конвективные потоки объединяются в единичные гигантские структуры. По расчетам астрофизиков, на поверхности Бетельгейзе должно одновременно находиться всего несколько таких зон подъема вещества.

Гидродинамическое моделирование показывает, что конвективные ячейки такого масштаба должны быть нестабильными. В условиях сильной турбулентности время их существования ограничено периодом от нескольких месяцев до одного-двух лет. После этого восходящий поток остывает, разрушается и сменяется новым.

Однако серия наблюдений на радиоинтерферометре ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) показала совершенно иную картину. Международная группа исследователей обнаружила на Бетельгейзе крупную высокотемпературную область, которая сохраняет свое положение, форму и мощность на протяжении как минимум семи лет. Этот факт указывает на существование неизвестного физического механизма, который стабилизирует потоки энергии внутри умирающей звезды.

Технические пределы и субмиллиметровый диапазон

Изучение пространственной структуры Бетельгейзе представляет собой сложную приборную задачу. Несмотря на физический размер звезды, расстояние до нее составляет около 560 световых лет (172 парсека). Угловой диаметр видимого диска на земном небе равен приблизительно 43 миллисекундам дуги.

Обычные оптические телескопы не позволяют различить детали на диске такого углового размера. Кроме того, оптический свет рассеивается плотной околозвездной пылью и искажается хромосферой — внешним разреженным слоем газа. Чтобы преодолеть эти ограничения, астрономы применили метод апертурного синтеза на антенной решетке ALMA в Чили.

В наблюдениях задействовали наиболее широкую конфигурацию комплекса: 66 радиоантенн были расставлены на высокогорном плато Чахнантор на расстояниях до 16 километров друг от друга. Сигналы с каждой антенны объединялись суперкомпьютером-коррелятором, что создало эквивалент телескопа с диаметром приемного зеркала в 16 километров. Измерения проводились в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах — на частотах от 215 до 492 гигагерц (длины волн от 0,6 до 1,4 миллиметра). Это обеспечило угловое разрешение в 7 миллисекунд дуги. В результате астрономы смогли различить на поверхности звезды детали размером около одной шестой ее поперечника.

Излучение на этих длинах волн формируется за счет свободно-свободных переходов электронов. Свободный электрон, пролетая вблизи иона или нейтрального атома водорода, теряет часть кинетической энергии и испускает радиоквант.

Поскольку на субмиллиметровых волнах пыль практически прозрачна, излучение свободно выходит из глубоких атмосферных слоев. Слой, в котором оптическая толщина становится равной единице (то есть среда становится непрозрачной для излучения), называют субмиллиметровой фотосферой. Она располагается на расстоянии от 1,1 до 1,3 радиуса видимой оптической фотосферы звезды.

Строение атмосферы и область температурного минимума

Субмиллиметровая фотосфера Бетельгейзе занимает особое положение в вертикальной структуре звезды. Непосредственно над видимой поверхностью температура газа падает по мере удаления от центра.

В оптическом диапазоне эффективная температура фотосферы составляет около 3650 кельвинов. На расстоянии 1,1-1,2 звездного радиуса температура опускается до минимального значения — примерно 2300 кельвинов.

Это зона температурного минимума. Газ здесь интенсивно охлаждается за счет излучения формирующихся молекул угарного газа и оксида кремния. Дальше от звезды температура вновь начинает расти, достигая в хромосфере значений выше 3000 кельвинов из-за диссипации акустических и магнитных волн, приходящих из глубины.

Радиоинтерферометр ALMA зафиксировал, что средняя яркостная температура субмиллиметровой фотосферы составляет от 2260 до 2340 кельвинов. Это подтвердило теоретические расчеты: на расстояниях около 1,2 радиуса звезды действительно расположен слой холодного плотного газа.

Плотность вещества здесь достаточна для образования сложных химических соединений и первых твердых пылевых частиц. Именно из этой области начинается процесс формирования звездного ветра, уносящего вещество в космическое пространство.

Обнаружение долгоживущей термической аномалии

Главным результатом исследования стало выявление сильной температурной асимметрии на диске звезды. Субмиллиметровая фотосфера не является однородной. На ней отчетливо видны две области с повышенной температурой.

Первая и наиболее мощная зона расположена в северо-восточном секторе диска со смещением примерно на 12 миллисекунд дуги от центра. Вторая, менее яркая область, находится в юго-западном секторе на удалении 18 миллисекунд дуги.

Прямое моделирование радиовидимостей показало, что северо-восточный регион имеет температуру на 500-800 кельвинов выше окружающего фона. Локально газ там прогрет до 2700-3000 кельвинов. На исследуемых длинах волн эта область выделяет около 1% всей энергии, излучаемой звездой.

Фундаментальная научная проблема заключается во времени жизни этого горячего пятна. Астрономы сопоставили данные 2023 года с результатами аналогичной съемки ALMA, выполненной в ноябре 2015 года. За прошедшие 7,3 года смещение пятна относительно центра изменилось менее чем на 2 миллисекунды дуги, что находится в пределах инструментальной погрешности. Яркость и геометрические размеры структуры также остались неизменными.

Более того, совмещение новых карт с архивными данными других инструментов показало еще более длительную преемственность. Инфракрасные интерферометрические наблюдения 2008 года фиксировали избыток излучения в том же самом северо-восточном квадранте. Ультрафиолетовые измерения телескопа «Хаббл» в конце 1990-х годов также указывали на наличие ярких областей на этой же линии.

Таким образом, термическая неоднородность существует на одном месте от 7 до более чем 20 лет. Этот наблюдательный факт прямо противоречит гидродинамическим моделям, согласно которым подъем отдельного конвективного объема газа не может длиться дольше одного-двух лет.

Физические гипотезы: полярная ось или невидимый спутник

Для устранения возникшего противоречия авторы работы предложили две основные гипотезы. Обе они связывают стабильность тепловой аномалии с внешними или геометрическими факторами, накладывающимися на классическую конвекцию.

Гипотеза полярного положения. Измерения поляризации света и доплеровского смещения линий указывают на то, что ось вращения Бетельгейзе ориентирована в пространстве под позиционным углом от 50 до 60 градусов (отсчитываемым от направления на север через восток). Линия, соединяющая северо-восточное и юго-западное горячие пятна, наклонена под углом 51 градус.

Если ось вращения звезды направлена в сторону наблюдателя с наклоном около 30 градусов к картинной плоскости, то северо-восточное пятно проецируется точно на географический полюс звезды. Вращение тела создает условия, при которых конвективный перенос вдоль оси вращения становится устойчивым. Сила Кориолиса и радиальные магнитные поля в приполярной зоне могут подавлять турбулентное разрушение восходящего потока. В таком случае горячая область представляет собой постоянный полярный конвективный столб, непрерывно поставляющий энергию из недр. Второе, менее яркое пятно на юго-западе, в рамках этой модели объясняется проявлением противоположного полюса звезды на дальнем от нас полушарии.

Гипотеза гравитационного влияния спутника. Анализ долговременных колебаний лучевой скорости и циклов переменности блеска Бетельгейзе (в частности, периода в 5,78 года) позволил астрономам выдвинуть предположение о наличии у гиганта небольшой звезды-компаньона. Расчетная орбита этого спутника имеет большую полуось около 2,3 радиуса Бетельгейзе, а плоскость орбиты наклонена ребром к наблюдателю и проходит под углом около 60 градусов.

Гравитационное поле близкого спутника способно вызывать приливные деформации в протяженной оболочке сверхгиганта. Приливное трение и концентрация ударных волн вдоль траектории движения компаньона могут формировать устойчивые зоны повышенной температуры.

В августе 2023 года предполагаемый спутник должен был находиться на удалении 1,1-1,7 радиуса от центра звезды под позиционным углом около 150 градусов. Телескоп ALMA не смог различить сам спутник из-за высокой яркости края диска, однако именно в этом секторе зафиксированы максимальные искажения формы звезды.

Искажение формы диска и выброс вещества 2020 года

Изучение внешнего края субмиллиметровой фотосферы показало, что звезда отклоняется от строгой сферической формы. Измерение радиуса на уровне половины центральной яркости выявило отклонения величиной до 6%. В секторе с позиционным углом 160 градусов (юг-юго-восток) радиус фотосферы на 5% превышает среднее значение, а в секторе 120 градусов (юго-восток) он на 7% меньше среднего.

В отличие от неподвижного северо-восточного температурного пятна, геометрия этих искривлений изменилась по сравнению с 2015 годом. За семь лет выступы и провалы сместились и перестроились, хотя и остались локализованы преимущественно в южной части диска. Это указывает на то, что радиальные деформации вызваны нестационарными ударными волнами и выбросами вещества, имеющими меньшее время жизни, чем глубинная термическая аномалия.

Параллельно со сплошным излучением водорода ALMA регистрировала спектральные линии молекул оксида кремния и угарного газа. Молекулярные линии формируются в более высоких слоях — от 1,3 до 3 радиусов звезды.

Пространственное распределение молекул резко отличается от континуума. Если излучение водорода относительно равномерно, то молекулярный газ образует плотные сгустки с контрастом плотности до 10 к 1 между северо-востоком и юго-западом.

В юго-западном секторе молекулярной оболочки обнаружен сильный дефицит вещества, а на расстоянии 60 миллисекунд дуги в том же направлении зафиксировано изолированное облако молекулярного газа. Скорость этого облака вдоль луча зрения мала (около 3 км/с относительно звезды), что указывает на движение преимущественно поперек луча зрения — в картинной плоскости. Расчеты показывают, что облако удаляется от центра звезды со средней скоростью около 10 км/с.

Эта структура служит прямым материальным следом оптического события, известного как «Великое потускнение». С конца 2019 года по весну 2020 года видимая яркость Бетельгейзе упала более чем в два с половиной раза. Оптические снимки тогда зафиксировали потемнение южного полушария звезды.

Текущие радиоданные подтверждают физический сценарий тех событий: в конце 2019 года в фотосфере произошел мощный выброс газа. Поднявшись на высоту более двух звездных радиусов, газ остыл ниже температуры конденсации твердой фазы, что привело к образованию непрозрачной силикатной пыли, закрывшей звезду от земных телескопов. К 2023 году этот газопылевой объем сместился на расстояние около 60 миллисекунд дуги, где и был зафиксирован интерферометром.

Кинематика газовых оболочек

Анализ спектральных профилей молекулярных линий позволил измерить скорости движения вещества внутри атмосферы сверхгиганта. Линии поглощения молекул на фоне светящегося диска смещены в сторону более коротких волн (синее смещение). Средняя скорость этого движения составляет 2,5 км/с относительно центра массы звезды, что свидетельствует о непрерывном оттоке газа наружу.

В районе северо-восточного температурного пятна полуширина спектральных линий резко возрастает, а скорость синего смещения доходит до 30 км/с. Скорость звука в этом слое газа составляет около 5 км/с. Следовательно, в горячей области вещество поднимается со сверхзвуковой скоростью, в 5-6 раз превышающей скорость звука.

Это подтверждает перенос энергии посредством сильных гидродинамических ударов, которые пробивают устойчивый слой температурного минимума и выбрасывают газ в хромосферу.

При этом данные высокого спектрального разрешения не показали признаков регулярного дифференциального или твердотельного вращения внешней атмосферы. Ожидаемый градиент скоростей между противоположными краями диска отсутствует.

Вместо этого зафиксировано хаотическое распределение скоростей: восходящие и нисходящие потоки перемешаны по всей видимой поверхности. Это означает, что динамика околозвездного пространства полностью подчинена турбулентности и радиальным ударным волнам, которые стирают следы вращательного движения на масштабах до трех звездных радиусов.

Значение для астрофизики поздних стадий эволюции

Результаты исследования Бетельгейзе меняют подход к расчету физических процессов в массивных звездах перед их коллапсом в качестве сверхновых. Ранее в звездной астрофизике использовались одномерные сферически-симметричные модели потери массы, в которых вещество считалось однородно истекающим со всей поверхности. Затем им на смену пришли трехмерные симуляции конвекции, предсказывавшие быструю хаотическую смену конвективных ячеек.

Данные ALMA доказывают, что реальная структура красных сверхгигантов сложнее обеих теоретических концепций:

1. Термодинамика атмосферы определяется стабильными многолетними источниками тепла, локализованными в пространстве и не разрушающимися турбулентностью.
2. Потеря массы носит выраженный анизотропный характер: звезда выбрасывает вещество отдельными плотными сгустками в выделенных направлениях, а не равномерным сферическим ветром.
3. Внутренняя граница формирования молекул и пыли смещена глубже в сторону фотосферы за счет эффективного молекулярного охлаждения в областях между ударными фронтами.

В ближайшие сотни тысяч лет Бетельгейзе предстоит сколлапсировать с образованием нейтронной звезды или черной дыры. Характер вспышки сверхновой типа II-P, кривая ее блеска и свойства остатка вспышки напрямую зависят от геометрии околозвездной среды в момент коллапса.

Наличие устойчивых полярных потоков, асимметричных молекулярных сгустков и деформаций фотосферы означает, что ударная волна сверхновой будет распространяться через неоднородную среду. Наблюдения Бетельгейзе предоставляют базу данных для калибровки новых гидродинамических моделей, описывающих последние этапы жизни звезд промежуточной и большой массы во Вселенной.

Источник: arXiv