Astrofyzik Nagy: Betelgeuze je skvelým laboratóriom, ako pozorovať zrod supernovy

Ak sa táto hviezda na sklonku života zrúti do seba, bude to čierna diera nachádzajúca sa najbližšie k Zemi.

Zložená snímka, vytvorená programom Digitized Sky Survey, zobrazuje oblasť okolo hviezdy Betelgeuze. Zdroj: ESA

Hviezdu Betelgeuze nájdete na nočnej oblohe veľmi jednoducho a rýchlo. Tvorí pravé rameno hrdinského bojovníka v nápadnom zimnom súhvezdí Orión. Súhvezdie je bohaté na zaujímavé vesmírne objekty. Nájdete tu extrémne hmotné a svietivé hviezdy aj úchvatné hmloviny. Dve z jeho hviezd – Rigel a Betelgeuze – dokonca patria medzi desať najjasnejších hviezd nočnej oblohy.

Aj napriek veľkej jasnosti ich pozemské ďalekohľady až do roku 1995 zobrazovali len ako bod. Pozorovacie prístroje ešte nedokázali zachytiť ich povrchovú štruktúru. Obrovskú službu v tomto smere vykonal až Hubblov vesmírny ďalekohľad. Začiatkom marca 1995 vytvoril prvú snímku povrchu hviezdy. Bola ňou práve tajomná premenná hviezda Betelgeuze.

Na to obdobie išlo o obrovský pokrok. Hubblov vesmírny ďalekohľad dokázal rozlíšiť hviezdu, ktorej zdanlivá veľkosť bola 20 000-krát menšia ako priemer Mesiaca v splne. Ekvivalent jeho pozorovacej schopnosti môžeme prirovnať k tomu, akoby ste sa chceli zo vzdialenosti približne 9 700 kilometrov pozrieť na reflektory auta.

V rozhovore pre portál VEDA NA DOSAH astrofyzik Roman Nagy z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave vysvetlil, akú záhadnú štruktúru vedci videli na fotografiách Betelgeuze, prečo pred piatimi rokmi vyvolala hviezda veľký rozruch a ako ovplyvní našu planétu, ak sa vo finálnom štádiu svojho života zmení na čiernu dieru.

Prvá hviezda s „profilovkou“

Pred 30 rokmi, presnejšie 3. marca 1995, sa vedcom podarilo pomocou Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu zhotoviť po prvý raz snímku povrchu hviezdy. Prečo sa nám to nepodarilo už skôr?

Keď si človek uvedomí, ako sú hviezdy ďaleko a aká je schopnosť našich ďalekohľadov zaznamenať čo i len najväčšiu hviezdu, vyjde mu, že to bolo prakticky nemožné. Keď som bol malé dieťa, pri pohľade do ďalekohľadu som si myslel, že uvidím celú štruktúru hviezdy. Videl som iba bodku. To je práve podstatné, že všetky hviezdy sa z pohľadu pozorovateľa zo Zeme javia len ako bodové zdroje.

Nedokázali sme skúmať ich povrchovú štruktúru, až kým neprišli najväčšie ďalekohľady. Najmä tie, ktoré sú mimo našej zemskej atmosféry, ktorá komplikuje samotné pozorovanie a v tomto prípade to bol Hubblov vesmírny ďalekohľad.

Svojimi kapacitami umožnil pozrieť sa prvýkrát na hviezdu Betelgeuze, ktorá je v porovnaní s ostatnými hviezdami v galaxii relatívne blízko, a keďže ide o červeného nadobra, je aj veľmi veľká. Vďaka kombinácii týchto troch vlastností, akou je výborná rozlišovacia schopnosť, blízkosť hviezdy a jej veľkosť, sme sa mohli pozrieť aj na povrchovú štruktúru inej hviezdy, než je naše Slnko.

Čo vidíme na úplne prvej fotografii hviezdy Betelgeuze? Pozornosť pútajú najmä farby.

Aj pri všetkých ostatných hviezdach, ktoré vidíme ako bodové zdroje, si ihneď všimneme, že majú rôzne farby. Keď sa pozrieme na Sírius, je to modrá hviezda, a hoci sa nám zdá, že ide o chladnú hviezdu, opak je pravdou. Naopak, naše Slnko je sfarbené do oranžova, čiže reprezentuje trochu nižšie teploty, a keď sa pozrieme na Betelgeuze, vidíme červenú hviezdu. Táto farba reprezentuje teplotu, ktorá je distribuovaná na jej povrchu.

Betelgeuze má jednu zvláštnu zaujímavosť. Na jeho povrchu sa objavila štruktúra, ktorá má výrazne vyššiu teplotu ako zvyšok hviezdy, a práve to vidíme v inej farbe. Ak ideme do oranžovejšej alebo bledšej farby, reprezentuje to oveľa vyššie teploty ako ostatná časť samotnej hviezdy, ktorá je červená a má v porovnaní s ostatnými hviezdami veľmi nízku teplotu. Pohybuje sa v niekoľkých tisícoch kelvinov, pričom na porovnanie teplota Slnka sa pohybuje okolo 6 000 kelvinov.

Hviezda Betelgeuze tvorí súčasť súhvezdia Orión. Starovekí čínski astronómovia ju identifikovali ako žltú hviezdu. O 300 rokov neskôr jej egyptský astronóm Ptolemaios prisúdil oranžovú farbu a v súčasnosti sa javí ako červená. Zdroj: NASA

Tajomná škvrna

Čo je to za štruktúru? Vedia ju vedci identifikovať?

Ide o bielu škvrnu, ktorá je ešte relatívne nepreskúmaná. V súčasnosti sme na hranici možností pozorovacej techniky a nedokážeme sa na ňu pozrieť vo väčšom rozlíšení.

Domnievame sa, že to môže byť prejav podobných štruktúr a zmien vo vrchnej atmosfére hviezdy, ktoré napríklad nájdeme na Slnku, len v extrémnejšej podobe. Keď sa pozrieme na povrch Slnka, je pomerne búrlivý. Mohli sme to pozorovať aj na Zemi vo forme polárnych žiar. Podobným spôsobom by sa mohla prejavovať aj hviezda typu Betelgeuze. Okrem toho, že je v pokročilejšom štádiu vývoja ako Slnko, môžu tu prebiehať oveľa prudšie zmeny. Dá sa teda predpokladať, že ide o prejav premenlivosti takejto hviezdy, ktorá je na sklonku svojho života a všetky procesy sú vtedy veľmi rýchle.

Objavili sa aj teórie, že by mohlo ísť o oveľa hlbšiu štrukturálnu zmenu v samotnej hviezde. V takomto prípade by to malo oveľa výraznejšie dôsledky na vývoj hviezdy. To sa aktuálne nepredpokladá. Stabilita samotnej hviezdy, hoci je premenná, je relatívne dobrá, čiže si nemyslíme, že v reálnom čase nastávajú veľké zmeny vo vnútornej štruktúre hviezdy. Vychádza nám z toho, že by mohlo ísť o povrchovú štruktúru podobnú aktívnym oblastiam, ktoré pozorujeme na Slnku.

Ďalej pozorujeme napríklad pohyb bielej škvrny a aj to, že rotuje spoločne s hviezdou. Z tohto pohľadu ide zrejme o statickejšiu časť hviezdy, čiže sa nehýbe sama po povrchu.

Tu naozaj nie je konsenzus, či je to vnútorná štrukturálna vlastnosť hviezdy, či ide o efekt prostredia, alebo prejav odvrhnutej obálky, keďže samotná hviezda už počas svojho života odfúkla veľké množstvo hmoty, ktorá sa od nej môže nachádzať v rozličných vzdialenostiach.

Čo spôsobuje zmeny na povrchu hviezdy?

Veľmi dôležitú úlohu hrá magnetické pole. Magnetické polia vedú plazmu a cez niektoré štruktúry hviezdy umožňujú prísuny horúcejšej plazmy bližšie k povrchu, čím zohrievajú vrchnú časť hviezdy, preto tu vznikajú štruktúry podobné bielej škvrne.

Deje sa to aj naopak. Magnetické polia môžu zabrániť tomu, aby sa do vnútra hviezdy dostávala horúca plazma. Napríklad na Slnku sa to prejavuje vo forme slnečných škvŕn, ktoré zabraňujú hmote zohrievajúcej povrch Slnka, aby sa dostala bližšie k povrchu, preto tá časť hviezdy vychladne. Magnetické pole teda hrá hlavnú úlohu pri štruktúrach, akou je biela škvrna.

Hviezda a jej spoločníci

Spomenuli ste, že Betelgeuze nie je samotárska hviezda. Akých spoločníkov má?

Väčšina hviezd vo vesmíre je vo viachviezdnych systémoch. Tvorí ich približne 70 percent. Ak sa hviezda nachádza v systéme, kde sú obe zložky pomerne ďaleko od seba, je veľmi náročné odhaliť  nejakú vzájomnú spriaznenosť len priamym pozorovaním.

Prvá priama snímka hviezdy inej než Slnko. Vytvoril ju Hubblov vesmírny ďalekohľad 3. marca 1995. zdroj: NASA

Existujú však stratégie, ako sa pozrieť na spektrum hviezdy, a ak dochádza k nejakým pohybom hlavnej hviezdy voči ťažisku sústavy, je to spôsobené práve tým, že sa tu nachádza nejaká ďalšia hviezda, ktorú nevidíme, lebo je veľmi slabá. Ak ide o porovnateľne veľké hviezdy, ale sú ďaleko od seba, môžeme rozlíšiť, či sa tam nachádza, alebo nenachádza fyzicky ďalšia hviezda. Z tohto pohľadu nie je netypické, že sa Betelgeuze nachádza vo viachviezdnom systéme. Slnko je v tomto prípade skôr výnimka.

V prípade Betelgeuze je ťažšie určiť jej spolupútnikov, pretože samotná hviezda je dominantná a veľmi hmotná. Odhady hmotnosti sa pohybujú od 10 do 20 hmotností Slnka. V sústave ide o dominantnú hviezdu, čiže zmeny trajektórie jej pohybu nebudú také veľké.

Situáciu s hľadaním hviezdnych spoločníkov však sťažuje aj to, že Betelgeuze je veľmi jasná hviezda, a teda veľkú časť poľa presvieti. Potenciálna súpútnická hviezda by od Betelgeuze musela byť vzdialená 8 astronomických jednotiek (AU), pričom samotný Betelgeuze má veľkosť 5 AU. Jej hviezdny spoločník by bol veľmi blízko povrchu.

Hviezda Betelgeuze je červený nadobor. Čo je preň typické?

Červený nadobor je neskoršie štádium vývoja hmotnej hviezdy, ktorá počas svojho života prejde viacerými štádiami. Práve zmeny v rozmeroch a teplote samotnej hviezdy sú jednými zo sprievodných javov neskorších vývojových štádií. V tomto prípade ide o veľmi hmotnú hviezdu, ktorá si prejde životom spaľovaním rôznych termonukleárnych reakcií v jadre tak, ako Slnko spaľuje vo svojom jadre vodík na hélium. Slnko však vo svojom živote bude ešte pokračovať spaľovaním hélia na uhlík a kyslík. Tam sa väčšina menej hmotných hviezd vo svojom vývoji zastaví a skončia ako biele trpaslíky. Ide o maličké hviezdy, ktoré svietia už len na základe energie, ktorú získali počas života.

Ak je hviezda hmotnejšia, môže zapaľovať termonukleárne reakcie čoraz ťažších prvkov a pri každom zapálení ďalšieho stupňa termonukleárneho horenia dochádza k zmenám, ako je napríklad nafúknutie obálky hviezdy. Aj Slnko sa v neskorších štádiách vývoja nafúkne a rozmerovo bude dosahovať približne obežnú dráhu Zeme. V prípade Betelgeuze sa rozprávame o násobkoch až rádových rozdieloch v porovnaní so Slnkom.

Ak by sme Betelgeuze umiestnili do stredu našej slnečnej sústavy, dosiahol by červený nadobor dráhu planéty Jupiter. Pri nafúknutí samotnej hviezdy platí dôležitá zásada zákonov zachovania, ktorá hovorí, že rovnako ako my ani príroda si nemôže robiť, čo chce. Ak takúto hviezdu nafúkneme a má k dispozícii približne energiu, ktorú mala predtým, tá istá energia sa rozprestrie na omnoho väčšiu plochu a z tohto pohľadu musí teplota povrchu hviezdy klesnúť. Aj Slnko, keď sa v budúcnosti o asi štyri až päť miliárd rokov nafúkne, zníži sa povrchová teplota, stane sa červeným obrom a dosiahne teploty, pre ktoré je dominantná červená farba.

Na štyroch ilustračných paneloch je zobrazený proces zvyšovania a znižovania jasnosti hviezdy počas niekoľkých mesiacov na prelome rokov 2019 a 2020. Zdroj: NASA

Keďže poznáme aj hmotnejšie hviezdy, rozlišujeme aj iné vývojové štádiá. Rozlišujeme modré, respektíve biele nadobry. To znamená, že ide o obrovskú hviezdu, ktorá je ešte navyše horúca. Čiže existujú tu rôzne variácie, čo sa s tou hviezdou deje, a to podľa toho, akú má hmotnosť. To je hlavný určujúci faktor hviezdneho vývoja.

Betelgeuze mala počas svojho života hmotnosť približne 30 hmotností Slnka. V súčasnosti má hmotnosť menšiu aj z toho dôvodu, že do okolitého prostredia odfúkla väčšiu časť hmoty vo fázach, keď sa zväčšila. Dnes má okolo 10 až 20 hmotností Slnka. Stále ide o veľkú hmotnosť na to, aby prešla všetkými štádiami vývoja až po finálnu fázu, ktorá je pri Betelgeuze z astronomických časových škál blízko. Ide o výbuch supernovy.

Hviezda v poslednom štádiu

Betelgeuze bola pred niekoľkými rokmi doslova hlavnou hviezdou. Písali o nej médiá, objavovala sa na sociálnych sieťach. Prečo na prelome rokov 2019 a 2020 spôsobila rozruch?

Betelgeuze možno zaradiť medzi premenné hviezdy a to znamená, že mení svoju jasnosť. Sú štandardne hviezdy, medzi ktoré patria napríklad cefeidy, pretože majú pomerne presné periódy pulzácií. Znamená to, že sa trochu nafúknu, potom zmenšia, tlaky sa povyrovnávajú, potom zvíťazí gravitácia, začnú sa zmršťovať, vnútorný tlak sa zvýši a hviezdy pri tom oscilujú okolo svojho polomeru, pričom sa mení aj ich jasnosť.

V prípade Betelgeuze je to komplikovanejšie. Presná perióda sa nedá určiť. Existujú rôzne módy, ktoré sú tu naraz prítomné, čiže nevieme určiť periódu, ktorá by dominovala tomuto procesu. Z tohto pohľadu je to premenná hviezda, ale nie s presne určenou periódou. Dá sa predpokladať, že pred samotným výbuchom supernovy dochádza k výraznejším zmenám.

Výbuch supernovy je udalosť, keď vnútorný tlak už nedokáže odolať mohutnej gravitácii. Už neexistuje zdroj energie, ktorý by proti nej tlačil. Gravitácia víťazí a dochádza ku kolapsu. Už sa predpokladalo, že by akási predfáza výbuchu supernovy mohla nastať, pretože dochádzalo k zmenšeniu samotnej hviezdy, k vnútorným zmenám, pričom sa tam mení zdroj energie a to sa prejavilo na výraznejších zmenách jasnosti. Potom sa hviezda stabilizovala. Aktuálne nepredpokladáme, že by išlo o posledné chvíle pred samotným výbuchom, ale určite ide o výraznejšie zmeny vo vnútornej štruktúre hviezdy.

Ide o jedno z najlepšie dokumentovaných záverečných štádií hviezd, ktoré sme kedy pozorovali. Keďže je to pomerne blízka a jasná hviezda, môžeme ju dobre sledovať. Takto dobre zdokumentovaný prípad predchodcu supernovy zatiaľ nemáme. Z tohto pohľadu je to dobrý materiál na štúdium, preto aj veľké ďalekohľady venujú pozornosť štúdiu hviezdy Betelgeuze. Takto dobré laboratórium predchodcu supernovy sme nemali možnosť ešte pozorovať.

Signalizuje nám hviezda samotný výbuch supernovy vopred podobným správaním?

Finálna fáza sa predpokladá ťažko. Môže to byť otázka rokov, desiatok rokov, ale aj tisícročí. Časový rozptyl, ktorý máme pri záverečných fázach hviezdy, je na ľudské pomery dosť veľký, ale v porovnaní so životom hviezdy, ktorý trvá stámilióny alebo miliardy rokov, je priam zanedbateľný. Dá sa však predpokladať, že takéto výraznejšie zmeny, či už v spektre, chemickom zložení, keď sa materiál hviezdy premiešava, alebo vo forme zmeny jasnosti, pred výbuchom supernovy nastanú.

Keďže sme nemali možnosť sledovať hviezdu v takomto štádiu vývoja, je dôležité zaznamenať a sledovať všetky tieto prejavy pred výbuchom supernovy. Keď nastane, bude naozaj grandiózny aj z pohľadu bežného človeka, pretože bude pozorovateľný počas noci aj počas dňa.

Prežiari hviezdy v našej Galaxii

Keďže je Orión, v ktorom sa hviezda nachádza, zimným súhvezdím, bolo by pre pozorovateľov optimálne, ak by supernova nastala v zimných mesiacoch? Ako ju uvidíme na oblohe po výbuchu?

Samotný výbuch supernovy je z pohľadu vývoja vesmíru extrémne dôležitá súčasť. Pri explózii sa uvoľnia ťažšie prvky, ako je železo, kyslík, uhlík, neón, kremík a síra, vytvárané v jadre hviezdy. Tie sa dostávajú z jadra von do okolitého priestoru a materiál sa šíri od rozmetanej hviezdy ďalej a zároveň svieti. Nielen samotný výbuch supernovy, ale aj materiál, ktorý vznikne v blízkosti pozostatku hviezdy, bude veľmi pekne pozorovateľný zo Zeme.

Výbuch supernovy v najjasnejšom bode môže prežiariť všetky hviezdy v Galaxii. Betelgeuze bude jasnejšia ako všetky hviezdy, ktoré máme na nočnej oblohe. Dokonca jasnejšia ako Mesiac v splne.

Na snímke, ktorú v roku 1995 vytvoril Hubblov vesmírny ďalekohľad, zreteľne vidieť bledú škvrnu. Je mnohonásobne väčšia ako Slnko a jej teplota je o 2000 kelvinov vyššia ako zvyšok hviezdy. Zdroj: ESA

Čo by sa po výbuchu ďalej stalo s hviezdou Betelgeuze?

Existujú rôzne scenáre, ktoré závisia od rôznych kritérií prostredia. V bezprostrednom čase pred výbuchom supernovy sa stane to, že gravitácia zvíťazí v boji s vnútorným tlakom a hviezda začne padať voľným pádom tak ako Newtonovo jablko zo stromu. Hviezda bude padať do svojho stredu, kde vznikne neutrónové jadro, ktoré odrazí hmotu von, a to predstavuje samotný výbuch supernovy.

Záleží však na tom, aká bola hmota hviezdy. Ide o to, či dokáže neutrónové jadro prežiť a vznikne neutrónová hviezda, alebo neutrónové jadro nedokáže odolať veľkej hmote vrchných vrstiev, ktoré na ňu padajú a zrúti sa sama do čiernej diery.

V prípade Betelgeuze by mala vzniknúť čierna diera. Ide o veľmi hmotnú hviezdu a práve hmota spôsobí, že neutrónové jadro nedokáže vzdorovať gravitácii a zrúti sa do singularity a vznikne nám hviezdna čierna diera podobného typu, ako sme už v minulom desaťročí mohli detegovať cez detektory gravitačných vĺn. Z tohto pohľadu to bude zrejme najbližšia čierna diera k našej planéte, ktorej vznik sme mohli pozorovať priamo pri výbuchu supernovy.

K Zemi najbližšia čierna diera

Môže takáto udalosť ohroziť Zem?

Betelgeuze je našťastie ďaleko. Je od nás vzdialený okolo 500 až 1000 svetelných rokov. To znamená, že samotné žiarenie z hviezdy k nám musí putovať 500 až 1000 rokov. Ak sa v astronomickom meradle rozprávame, že je to blízka hviezda, v porovnaní s galaxiou, ktorá má rozmer desaťtisíce až státisíce svetelných rokov, je to malá vzdialenosť. No z pohľadu izolovanosti našej slnečnej sústavy od hviezdnej sústavy Betelgeuze je to veľká vzdialenosť.

Ak by sa hviezda Betelgeuze nachádzala bližšie, pre nás by bol nebezpečnejší skôr výbuch supernovy. Pri ňom by k Zemi prúdilo veľké množstvo energie, kozmického žiarenia aj veľké množstvo neutrín, ktoré by nás až tak nemuseli trápiť. Problémom by boli práve energetické častice, ktoré by od supernovy putovali veľkými energiami k nám na Zem. Výrazne by zvýšili kozmické žiarenie, čo nie je ideálne pre človeka a biologické procesy na povrchu Zeme.

Samotná čierna diera je už relatívne pokojná vec. Zvyknem vravieť, že čierne diery sú paradoxne najjednoduchšie objekty vo vesmíre, dokonca by som povedal, že z astronomického pohľadu až nudné. Zbožňujem ich, ale z hľadiska vplyvu na Zem sa nie je čoho obávať.

Z hviezdy, ktorej hmotnosť sa rovná alebo je viac ako 20-násobkom hmotnosti Slnka, sa stáva na konci jej života čierna diera. Na ilustračnej fotografii je znázornené, ako čierna hviezda ohýba hviezdne pozadie za ňou. Zdroj: NASA

Čierna diera sa správa rovnako ako iná hmota. K zásadnejším zmenám môže dôjsť, keď sa nachádzame blízko čiernej diery. Ak by sme si predstavili hypotetický scenár, že zo Slnka sa stane čierna diera, pre nás na Zemi, okrem toho, že by sme boli v tme, sa nič iné nemení. Rovnako by sme obiehali okolo tejto čiernej diery tak ako teraz okolo Slnka. Aj planéta Merkúr a všetky planéty by obiehali okolo nej rovnako. Čierna diera má totiž rovnakú hmotnosť, ako mala hviezda rovnakej hmotnosti, a tým aj rovnaké gravitačné pôsobenie, a vtedy nie je dôvod, aby nás to ohrozovalo.

Čierne diery začínajú byť zaujímavé, ak by sme chceli preletieť blízko nej. Tam už fungujú efekty teórie relativity, prípadne kvantovej mechaniky a aj nesmierne zaujímavé relativistické efekty. To sa však musíme rozprávať o veľmi veľmi blízkych oblastiach pri čiernej diere.

Čierna diera z nášho pohľadu, aj keby sa nachádzala na mieste Slnka, nepredstavuje problém a v tomto istom prípade ani Betelgeuze, ktorý je od nás vzdialený tisíc svetelných rokov.

Zdroje: Jana Plauchová: Súhvezdia od Andromedy po Žirafu, 2023; NASA

(RR)