Gåtan med den kokande superjätten

Susanne Höfner, professor i teoretisk astrofysik vid Uppsala universitet, var ute på en vinterpromenad på landet i december 2019. Hon blev förbryllad när den välbekanta stjärnbilden Orion inte såg ut som den brukade.

– Vilken är Betelgeuse egentligen? frågade hon sig.

Den tydligt röda stjärnan som markerar den mytologiska jägarens vänstra axel är vanligtvis en av de ljusstarkaste på natthimlen. Nu var den svår att skilja från de andra stjärnorna i stjärnbilden.

Eftersom hon var ledig var hon inte medveten om att hela astronomivärlden i samma stund sjöd av diskussioner om händelsen. Men snart började journalister höra av sig till henne för kommentarer.

Betelgeuse tappade nära två tredjedelar av sin ljusstyrka

Betelgeuse är en variabel stjärna, vilket betyder att den ständigt skiftar i ljusstyrka, men så här drastiskt hade ingen tidigare sett den avta. På några få veckor tappade den nästan två tredjedelar av sin ljusstyrka. Vad var det som hände? Kunde det rent av vara fråga om dödsryckningarna innan stjärnan skulle explodera i en supernova?

Betelgeuse är en typ av stjärna som kallas röd superjätte, som slutar sitt liv som supernova. När det inträffar blir det ett dramatiskt skådespel. Den kommer att lysa lika starkt som månen och vara synlig även på dagen.

Men vänta dig inte att få se det under din livstid. Astronomer menar att det troligen kommer att dröja ungefär 100 000 år till. Det var alltså inte dödskramper i stjärnans centrum som orsakade det stora ljustappet i vintras.

– När jag kom tillbaka till jobbet och fick se observationsdata trodde jag inte att det var en förändring i stjärnans inre, utan något som hände på ytan, säger Susanne Höfner.

Röda jättestjärnor och röda superjättar

Hon och hennes forskargrupp hör till de ledande i världen när det gäller studier av röda jättestjärnor, som är mindre kusiner till de röda superjättarna. En av deras specialiteter är att göra detaljerade modeller av stjärnornas atmosfärer. Den dramatiska händelsen med Betelgeuses ljusstyrka kom precis när deras modeller blivit så bra att de bestämt sig för att sikta högre.

– Nu är vi kaxiga, och säger att vi ska göra atmosfärsmodeller av superjättar, säger Susanne Höfner.

Stjärnors färg och livsöde varierar beroende på deras massa och sammansättning. Solen och andra stjärnor som har från knappt hälften till åtta gånger solens massa kommer att sluta sina dagar som röda jättestjärnor. Den röda jättefasen är jämförelsevis kort, och varar ungefär tio procent av stjärnans livstid.

– Massan avgör deras öde, betonar Susanne Höfner.

Stjärnor som innehåller ännu mer materia blir det som kallas röda superjättar, som Betelgeuse. De har ett mer komplicerat slut.

Under huvuddelen av sin tillvaro drivs stjärnor av väte, som slås ihop till helium i en fusionsprocess som frigör energi. När vätet tar slut i en stjärnas mitt går den över till ett nytt levnadsstadium, där den bränner helium till kol. Då sväller atmosfären upp och de yttre delarna svalnar av. Stjärnan skiftar färg, eftersom svalare stjärnor ger ett rödare ljus.

När solen når det här stadiet kommer den att bli så stor att den slukar både Merkurius och Venus, och kanske når ända ut till jordens bana. Till slut kastar den av sig mer än hälften av sin massa, och kvar blir en liten och kompakt vit dvärg.

Ju mer materia en stjärna innehåller, desto hetare blir den och desto snabbare bränner den sitt förråd av väte. Medan stjärnor som solen har en livstid som mäts i miljarder år, brinner de mycket större stjärnorna ut på några miljoner år, och slutar typiskt i en supernovaexplosion. Kvar blir en neutronstjärna eller ett svart hål.

Åldriga stjärnor med uppsvällda atmosfärer

De röda jättarna och superjättarna är alltså åldriga stjärnor med enormt uppsvällda atmosfärer. En stjärna har ingen fast yta, men det finns en gräns där den blir genomskinlig och ljuset slipper ut. Den delen kallas fotosfären, och ovanför den finns stjärnans atmosfär.

Alla stjärnor har bubblor som får ytan att se kornig ut. I varje bubbla stiger hetare gas, och gas som svalnat av faller ned igen i dess kanter. Den sjudande transporten av energi och material kallas konvektion. På jättestjärnorna är detta ett dominerande fenomen.

– Vi kan jämföra med solens yta som har miljoner korn. I jättestjärnor däremot är de här strukturerna inte bara stora, utan stora i kvadrat, säger Bernd Freytag, som jobbar i Susanne Höfners forskargrupp.

Hans simuleringar visar att konvektionsbubblorna är jättelika även i förhållande till den redan enormt stora stjärnans yta.

De djupa kokande rörelserna drar upp material ur stjärnans inre och kastar ut en del av det i kraftiga stjärnvindar. När materialet kommer tillräckligt långt ut från stjärnan för att svalna av lite grann bildas molekyler, och ännu längre ut stoftkorn. Stoftkornen får skjuts av själva ljuset från stjärnan, som driver iväg dem som små solsegel.

Mycket av kolet i universum, som utgör stommen i de organiska molekyler som bland annat vi själva består av, kommer in i det kosmiska kretsloppet genom det material som de röda jättestjärnorna blåser ut i rymden.

Betelgeuse återhämtade sig

I mars hade Betelgeuse återhämtat sig till normal ljusnivå. Susanne Höfner, Bernd Freytag och andra astrofysiker världen över arbetar fortfarande med gåtan.

För att förstå vad som händer i stjärnatmosfärer bygger Susanne Höfners forskargrupp teoretiska modeller. En sådan modell är ett ramverk för att simulera och beräkna processerna i stjärnan, och se hur de utvecklas med tiden.

Modellerna görs ofta endimensionella. Det betyder att stjärnan behandlas som ett symmetriskt klot, där variationer bara sker i riktning utåt eller inåt mot stjärnans centrum – det finns alltså bara en dimension i variationerna. Susanne Höfner är expert på endimensionella modeller, och har använt sådana för att beskriva och förklara stjärnornas massförlust och hur stjärnvinden uppstår. Stjärnans pulserande rytm måste däremot hämtas från observationer och matas in i modellen för hand.

Tredimensionella modeller är mer sofistikerade, och med dem kan forskarna även återskapa strukturen på stjärnans yta. Bernd Freytag har jobbat med detta under många år, och gjort spektakulära animerade simuleringar som ofta används för att illustrera hur de här stjärnorna fungerar. De stämmer väl med observationer där astronomer har lyckats avbilda ytan på röda jättestjärnor. En av framgångarna är att det också går att avläsa direkt ur modellen hur stjärnan pulserar.

Han arbetar nu med att göra liknande modeller för superjättar.

– Superjättarna är större, så det är svårare för material att komma ut ur stjärnan. Dessutom är de hetare, och då blir det svårare för stoftkorn att bildas, förklarar Bernd Freytag.

Det finns teleskopbilder där det tydligt går att se enorma moln av material som blåser bort från Betelgeuse, men de modeller som ger bra resultat för mindre stjärnor fungerar inte alls för att ge en riktig stjärnvind för de större. Modellerna är känsliga för bland annat variationer i temperatur.

Att bygga och testa modeller av superjättar är mycket svårt, eftersom beräkningarna blir extremt tunga och kräver superdatorer.

Svårt att mäta superjättar

En annan svårighet är att jämföra detaljerna i beräkningarna med verkligheten. Det finns numera stora projekt som rutinmässigt mäter storlek och avstånd för vanliga stjärnor, samt studerar hur ljuset varierar i olika våglängder. De här metoderna fungerar tyvärr mycket sämre för superjättar. Eftersom de har stora bubblor på ytan kan de ibland vara ljusare på ena sidan än på den andra, och då ser de ut att flytta på sig lite grann på himlen. Det gör att mätningarna av deras koordinater i rymden får ganska stora osäkerheter. Andra mätningar får problem med att de största och ljusstarkaste stjärnorna bländar instrumenten så att resultatet blir sämre.

Med dåliga mätningar är det svårt att utvärdera modellerna och se om de ger rätt resultat. Bernd Freytag jämför med kolleger som sysslar med andra typer av stjärnor:

– Vi ser lite dummare ut än andra, eftersom vi inte vet.

Och eftersom osäkerheterna är ganska stora behöver Bernd Freytag göra flera simuleringar med olika värden på vissa parametrar, och sedan se vilken som passar bäst. Han och hans kolleger vill också jämföra med flera olika stjärnor ute i rymden, och andra medlemmar av forskargruppen arbetar med att ta fram nya och bättre observationer av dessa röda jättestjärnor.

Under tiden har de också arbetat med att förstå vad som hände med Betelgeuse. Det verkar som om något gjorde den ena halvan av stjärnan mörkare än den andra. På teleskopbilderna såg den rent av bucklig ut.

”Som att se universum andas”

Bernd Freytag menar att effekten kan ha uppstått när någon konvektionsbubbla sammanföll med stjärnans pulserande på ett sätt som kunde fösa upp extra mycket material i stjärnans atmosfär. När materialet nådde tillräckligt långt ut för att vara svalt nog bildades molekyler, som absorberar ljus bättre än vad fria atomer eller joner gör. Han och Susanne Höfner har tillsammans med ett par andra astronomikolleger arbetat med den här hypotesen och håller på att skriva en vetenskaplig artikel som de hoppas blir färdig efter sommaren.

Den drastiska förändringen som Betelgeuse genomgick i vintras blir en påtaglig påminnelse om att hela universum är dynamiskt och ständigt genomgår dramatiska processer.

– När vi kan se förändringar med blotta ögat är det som att se universum andas, säger Bernd Freytag.

Uppmärksamheten kring frågan kan leda till nya resurser för de observationer som forskarna har ett trängande behov av.

– Vi hoppas att det ska göra det lättare att övertyga kommittéer som beslutar om observationstid att vi behöver få titta på samma stjärna flera gånger, säger Susanne Höfner.

Dessutom ringar gåtan in begränsningarna i dagens kunskap. Det finns ännu inte någon bra modell för en superjätte ens i sitt normala och någorlunda stabila tillstånd. Vad gäller supernovor anser forskarna att de förstår dem i stora drag, men det finns inga detaljerade modeller för vad som faktiskt händer när en stjärna exploderar.

– Och för övergången däremellan har vi ännu mindre kunskap, säger Bernd Freytag.

Därför kommer forskare att vilja hålla Betelgeuse och andra stjärnor i slutet av sina liv under mycket noggrann uppsikt. Det finns mycket mer att lära om dem.

Sväller i efterbränningen

Klicka för att ladda ner infografiken som PDF.