Бетельгейзе. 100 тысяч лет до смерти

Betelgeuse. 100 thousand years to death

Любители астрономии, журналисты и популяризаторы астрономии подняли большой шум в ожидании взрыва Сверхновой в созвездии Ориона. Шум наделала звезда Бетельгейзе, α Orionis, сверхгигант класса M2 Iab. Любители астрономии из Американской Ассоциации Наблюдателей Переменных Звезд (American Association of Variable Star Observers (AAVSO)) обнаружили необычное падение блеска звезды 29 декабря 2019 г до V = 1.3 звездной величины, в то время как средний блеск около V = 0.5 (Рис. 1) . За 40 лет наблюдений блеск не падал ниже V = 1.0. Было зачем бить тревогу. Просвещенные любители и астрономы-дилетанты знают, что звезды сверхгиганты живут не долго и заканчивают свое существование взрывом сверхновой. Поскольку Бетельгейзе находится сравнительно близко, около 330 парсек и, помятая, что в 1054 г в созвездии Тельца уже вспыхивала сверхновая, которую было видно днем, народные массы заволновались, в ожидании то ли чуда, то ли конца света.
В журнале для любителей астрономии Sky & Telescope оперативно появляются комментарии астрономов [1]: «Бетельгейзе - это красный гигант, который близок к концу своей эволюции, ~ 99% его жизни прошло. Он имеет более чем в 10 раз большую массу, чем Солнце и развился далеко за пределы эволюции, сжигая после водорода гелий, затем следующие эпохи сжигания все более тяжелых элементов, и истощение запасов топлива для дальнейшего существования. Когда он это сделает, он станет сверхновой».
Естественно, что такие объяснения не снимают беспокойства, а скорее вызывают тревогу.
Эта проблема хорошо известна профессиональным астрономам, занимающихся физикой звезд. Только за последние 2 года появилось около 50 публикаций в ведущих астрономических журналах на эту актуальную тему. Естественно, профи должны дать объяснения и просветить народ.
У Бетельгейзе были обнаружены пульсации блеска. Период пульсации звезды в 376 дней был выведен с использованием наблюдений в базе данных AAVSO (Рис 1). Естественно, нужна теория, которая объяснит как пульсации, так и их период.
Бетельгейзе, α Orionis, возникла в туманности Ориона. Ассоциация звезд Orion OB 1a считается кандидатом на происхождение α Orionis. Расстояние до ассоциации Orion OB 1a в настоящее время составляет 336 ± 16 пк. Возраст ассоциации составляет ~ 10 млн. лет, что сопоставимо с прогнозируемым возрастом α Orionis, равным ~ 8.5 млн. лет, полученным на основе расчета моделей внутреннего строения и эволюции звезд.
В настоящее время не составляет труда рассчитать весь жизненный путь звезды от зарождения до смерти с помощью моделей звездной эволюции.
Модели звездной эволюции были рассчитаны с использованием двух кодов. Первым (именуемым моделью EG) является код звездной эволюции, первоначально разработанный Эгглтоном (1971), со скоростями ядерных реакций, известными на то время. Были также независимые исследования с использованием кода эволюции звезд MESA (Paxton, 2013).
Расчеты проводились группой ученых из нескольких институтов: University of Notre Dame, Notre Dame, USA, Объединенного института ядерной астрофизики, США, и Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, Beijing, China (M. Dolan, G. Mathews, Doan Duc Lam, Nguyen Quynh Lan, G. Herczeg, [2]).
Расчеты проводились от предколлапса исходного протозвездного облака до завершения сжигания углерода в ядре с помощью кода EG. Расчеты с кодом MESA проводились до горения кремния и были остановлены, так как ядро стало нестабильным для разрушения.
Наиболее подходящая модель MESA ушла с главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела около 106 лет назад, в то время как для модели EG это было около 3×105 лет назад. Обе модели достигли основания области сверхгигантов с поверхностной температурой 3000 К около 40 000 лет назад. До этого Бетельгейзе был горячим сверхгигантом спектрального класса B0 с температурой около 30 000 градусов. Таким образом, Бетельгейзе в настоящем виде появился на небе, когда на Земле зарождалась наша цивилизация.
Авторы расчетов следовали за звездой, пока не наступило окончательное истощение горения гелия в ядре, после чего последовали краткие эпохи горения в ядре углерода, неона, кислорода и кремния, и когда все источники ядерной энергии в звезде были истощены окончательно.
Далее наступает коллапс, явление сверхновой в возрасте 8.5 млн. лет после зарождения звезды. Текущее состояние эволюции Бетельгейзе по расчетам модели состоит в том, что у звезды остается ресурс до сверхновой менее чем ~ 100 000 лет.
А теперь несколько слов о пульсациях блеска Бетельгейзе. Период пульсации звезды в 376 дней был выведен с использованием наблюдений в базе данных AAVSO (Рис 1). Естественно, нужна теория, которая объяснит как пульсации, так и их период. Такая теория была создана в ГАО и опубликована в монографии «Звезды типа R Северной Короны», Наукова Думка, Киев, 1978.
Суть в следующем. В звездах гигантах и сверхгигантах после сжигания водорода начинается ядерная реакция 3He4 -> C12 + 7.257 Mev. Горение гелия в сверхгигантах в отличие от нормальных звезд происходит не в ядре, а в узком слое, так называемом слоевом источнике энергии. Этот слой очень неустойчив, способен разгораться и угасать. Слой находится на поверхности горячего ядра звезды (температура 100+ млн. градусов). Основная масса звезды сосредоточена в горячем ядре. Выше находится очень протяженная, маломассивная атмосфера (практически невесомая оболочка). Перенос энергии в атмосфере осуществляется как излучением, так и конвекцией. В оболочке над слоевым источником энергии из-за неустойчивости возникают так называемые релаксационные колебания. Когда слой разгорается, излучение не успевает переносить энергию. К слою приближается граница конвекции. Конвекция эффективно отводит тепло. Слоевой источник начинает угасать, граница конвекции отступает, источник снова разгорается.
Релаксационные колебания, возникающие на границе горячего ядра, где горит гелий, отражаются на поверхности звезды в виде колебания яркости. Такие пульсации яркости мы наблюдаем на поверхности Бетельгейзе.
Можно показать, что период релаксационных колебаний связан с динамической шкалой времени, временем свободного падения, которое совершает пробная частица, проходя расстояние от поверхности звезды до слоевого источника энергии. Модель внутреннего строения Бетельгейзе на Рис. 2, содержащая распределение давления, температуры, плотности, позволяет рассчитать период релаксационных колебаний. Он равен от 215 до 300 дней для значений радиуса звезды (887 ± 203) Rsun. Такое значение радиуса Бетельгейзе получено из наблюдений. Таким образом, теория и наблюдения дают схожие результаты.




См. в прикрепленном файле
Рис. 1. Кривая блеска α Orionis в фильтре V.

Итак, Бетельгейзе прожил 99% отведенного природой времени жизни. Он образовался из межзвездного облака, которое на 71% состояло из водорода, 27% гелия и 2% других химических элементов.
Бетельгейзе досталась масса около 20 масс Солнца, и это предопределило его судьбу яркого горячего гиганта, который сожжет себя за несколько млн. лет. Если бы судьба отвела ему одну массу Солнца, он бы прожит 10 млрд. лет, экономно перерабатывая водород в гелий, закончив свой путь, превратившись в ординарного красного гиганта.




См. в прикрепленном файле
Рис. 2. Модель внутреннего строения Бетельгейзе. Распределения давления, температуры, плотности [1].

Бетельгейзе уготована иная судьба [2, 3]. Сейчас Бетельгейзе продолжает сжигать гелий. Затем начинается горение углерода, после чего горение кислорода, а затем горение кремния. По оценкам [2] менее чем через 105 лет α Orionis станет сверхновой второго типа SN II, высвобождая 2.0×1053 эрг в нейтрино вместе с 2.0 × 1051 эрг в кинетической энергии взрыва и оставляя после себя нейтронную звезду массой ~1.5 массы Солнца.
Взрыв будет сопровождаться увеличением яркости и эволюцией цвета излучения до 10 дней, а также динамики выброса, которая сильно зависят от свойств окружающей звезду среды. Оптическая яркость возрастет приблизительно до V = -12.4 звездной величины, становясь ярче, чем полная Луна. Яркость рентгеновских и γ-лучей может быть значительной, но недостаточной чтобы пробиться через атмосферу Земли.
Ожидается, что ударная волна от взрыва достигнет Земли примерно через 6 млн. лет. Сроки прохождения этого шока в Солнечной системе будут длиться больше 1 тыс. лет.

References

[1] www.skyandtelescope.com/observing/fainting-betelgeuse/
[2] M. Dolan, G. Mathews, Doan Duc Lam, Nguyen Quynh Lan, G. Herczeg, Evolutionary Tracks for Betelgeuse, 2016, ApJ, 819, 1
[3] L. Dessart, D. Hillier, and E. Audit, Explosion of red-supergiant stars: Influence of the atmospheric structure on shock breakout and early-time supernova radiation, A&A 605, A83 (2017)