Herschel odkrywa tajemnicze struktury wokół Betelgezy

Betelgeza
Zdjęcie kompozytowe wykonane instrumentami Kosmicznego Obserwatorium Herschela. Gwiazda centralna, Betelgeza, otoczona jest asymetrycznymi strukturami, łukowatym "kokonem" i wielką "ścianą".
Gazowo-pyłowe obłoki, wielokrotne łuki i potężna poprzeczka to tylko niektóre struktury, o jakich istnieniu mogliśmy się przekonać po opublikowaniu najnowszych zdjęć Betelgezy przez Kosmiczne Obserwatorium Herschela. Porównując wyniki symulacji numerycznych z obserwacjami, grupa badawcza pod przewodnictwem prof. Leen Decin wyjaśnia, jaka jest natura materii wypełniającej przestrzeń wokół gwiazdy Alpha Orionis.

"Pierwsza Oriona" jest czerwonym nadolbrzymem. Jest to oddalona od nas o około 200 parseków spuchnięta gwiazda o rozmiarach porównywalnych z orbitą Jowisza, posiadająca masę pomiędzy 10-20 mas Słońca. W najnowszej publikacji, która została przyjęta do Astronomy & Astrophysics, przedstawione zostały najdokładniejsze obserwacje Betelgezy i jej okolic. Wiadomo było, że Betelgeza ze względu na swoje późne stadium ewolucji powinna posiadać silny wiatr gwiazdowy. Wiatr ten, pod postacią gazów i plazmy wydmuchiwanych przez gwiazdę, winien napotykać materię znajdującą się w przestrzeni międzygwiezdnej, a ich kolizja może być widoczna jako gęstsze regiony: obłoki o charakterystycznych kształtach.



  Pierwsze zdjęcie struktur wokoło Betelgezy wykonane przez zespół Noriega-Crespo w 1997 roku. Pole obejmuje 25 minut łuku, a rozdzielczość jest równa 15 sekund łuku na jeden piksel.
Z pracy Decin et al.
Pierwszy raz w historii takie struktury zostały zaobserwowane w 1997 roku przez czwórkę naukowców (A. Noriega-Crespo, D. van Buren, Y. Cao, R. Dgani) dzięki zastosowaniu specjalnych metod obserwacyjnych na satelicie IRAS. Wtedy to udało się znaleźć pośród przyćmiewającego blasku Betelgezy otaczającą ją asymetryczną strukturę (o średnicy od 10 do 14 minut łuku) oraz pewną niewyraźną "ścianę" leżącą w niewiele większej odległości. Szacowano wtedy, że "kokon" wokół Betelgezy ma rozmiar około 0,8 parseka, a jego masa jest bliska 0,14 mas Słońca. Dwanaście lat później, w 2009 roku wykonano zdjęcie o niespotykanej dotąd zdolności rozdzielczej, dzięki któremu znaleziono obłoczki materii wyrzucane bezpośrednio z powierzchni gwiazdy (pisaliśmy o tym tutaj: http://orion.pta.edu.pl/plomienie-betelgezy).
Był to pośredni dowód na istnienie konwekcji w górnych partiach Betelgezy i jej silny wpływ na formowanie się mgławicy o nieregularnych kształtach w najbliższym otoczeniu gwiazdy.


Najnowsze obserwacje zdają się potwierdzać wnioski płynące z tych historycznych już badań: odkryte zostały bowiem struktury będące następstwem wypływów materii z gwiazdy, a "gwiezdny kokon" z pracy Noriega-Crespo okazał się być złożoną, wielowarstwową strukturą. Instrumenty satelity Herschel pozwalają osiągnąć bardzo dużą rozdzielczość. Dzięki tej nowoczesnej technologii udało się uzyskać zdjęcia, na których jeden piksel odpowiada jednej sekundzie łuku na niebie. Na rysunku 2 widać bardzo wyraźne łukowate struktury otaczające gwiazdę, które składają się w rzeczywistości z kilku mniejszych, cieńszych warstw. Co więcej, pomiędzy gwiazdą a kokonem rozpościerają się mniejsze, kłebiaste obłoki. Są one pozostałościami po wyziewach z gwiezdnej kipieli, która został zaobserwowana m.in. w 2010 roku (Pisaliśmy w 2010: http://orion.pta.edu.pl/powierzchnia-gwiazdy-betelgeza-widoczna-z-niespo...).


 
 Rys. 2 Przybliżony obraz Betelgezy i jej okolic wykonany instrumentem PACS. Widoczne są wyraźne struktury kłaczkowate (blisko centrum), łukowate ("kokon") i "wielka ściana". Skala szarości wyrażona jest w jednostkach miliJansky na piksel. Im gorętszy region, tym jaśniejszy na obrazie. Pole widzenia obejmuje 49 x 29 minut łuku, a rozdzielczość wynosi 1 sekunda łuku na piksel.
Z pracy Decin et al.
Po odjęciu tzw. "halo", czyli stałego blasku od całego zdjęcia, Betelgeza odsłoniła jeszcze drobniejsze struktury tworzące zaczątki mgławicy wokoło gwiazdy macierzystej. Na rysunku 3. widać efekt odjęcia stałej poświaty od oryginalnego zdjęcia. Ujawniają się kłęby kosmicznych chmur, wyrzuty materii gwiazdowej i fundamenty młodej mgławicy. Obraz z lewej strony jest zbliżeniem pierwotnego zdjęcia i posiada rozmiary 720 x 325 sekund łuku. Czerwony okrąg o średnicy 40 sekund łuku zaznacza siedzisko gwiazdy. Tam jasność jest tak wielka, że wewnątrz czerwonego koła mogą znajdować się niedoskonałości związane z używaną aparaturą (czyli trudne do odjęcia efekty PSF). Zielony okrąg posiada średnicę 4 minut łuku i zakreśla obszar, który do tej pory był przysłonięty przez jasność gwiazdy. Wewnątrz niego widać gęste struktury wychodzące z powierzchni Betelgezy, które zdają się tworzyć późniejsze kłaczkowate obłoki widoczne na zdjęciu po prawej stronie. Na tym samym zdjęciu  dostrzegalne są pojedyncze warstwy, z których składa się łukowaty "kokon". Bazując na obserwacjach z Herschela, WISE, GALFA HI oraz GALEXu oszacowano, że pył w owym łuku posiada temperaturę bliską 85 Kelwinów, która jest podtrzymywana przez promieniowanie centralnej gwiazdy. Ku zdziwieniu badaczy, okazało się, że leżąca nieopodal "ściana" posiada podobną temperaturę pyłu (około 75 Kelwinów), chociaż sama materia nie może pochodzić od Betelgezy. Wiodącym pomysłem tłumaczącym tą rozciągłą, prostą strukturę, jest istnienie obłoku molekularnego, tuż obok którego znajduje się Betelgeza. Prosta struktura byłaby wtedy faktycznie ścianą-bokiem mgławicy oświetlaną przez Betelgezę.

Wielokrotne warstwy tworzące łukowaty kokon stanowią wielką zagadkę. Grupa badawcza prof. Decin proponuje rozwiązanie, które uwzględnia fizyczne właściwości gwiazd podobnych do Betelgezy. Powolna zmienność jasności czerwonych nadolbrzymów jest faktem obserwacyjnym. Kiedy ta naturalna przypadłość została wzięta pod uwagę w obliczeniach, symulacje komputerowe zaczęły odtwarzać wielowarstwową, łukowatą strukturę (widoczną na rysunku 4.). Zmienna aktywność gwiazdowa Betelgezy okazuje się być kluczem do struktury regionów widocznych na zdjęciach Herschela.

Nowe zdjęcia o zdumiewającej rozdzielczości są dopiero preludium do ciągu badań, które są planowane z użyciem obserwacji dokonanych za pomocą satelity Herschel. To Orbitalne Obserwatorium zostało wyniesione na orbitę dopiero w maju 2009 roku, razem z satelitą Planck. Orbituje wokół Słońca razem z Ziemią z okresem jednego roku. Jest wyposażone w zwierciadło główne o średnicy 3,5 metra oraz trzy wysokiej klasy instrumenty do badań spektralnych oraz w podczerwieni. Prof. Leen Decin oraz jej grupa zapowiedzieli kolejne prace poświęcone strukturom wokół Betelgezy. Pozostaje nam czekać na ich nowe doniesienia.

Źródło:
1) Artykuł "The enigmatic nature of the circumstellar envelope and bow shock surrounding Betelgeuse as revealed by Herschel. I. Evidence of clumps, multiple arcs, and a linear bar-like structure" autorstwa Leen Decin i innych. Dostepny w serwisie ArXiv od 19.12.2012: http://arxiv.org/abs/1212.4870
2) Artykuł "A Parsec-Size Bow Shock around Betelgeuse" autorstwa Alberto Noriega-Crespo i innych. Dostępny w The Astrophysics Journal vol. 11, strony: 837-840, z roku 1997 oraz online w serwisie ADS: http://adsabs.harvard.edu/abs/1997AJ....114..837N


Bartłomiej Dębski

Liczba odsłon: 3787


Rys. 3 Obraz powstały po odjęciu stałego blasku przyćmiewającego mniejsze struktury w najbliższym otoczeniu gwiazdy. Pole widzenia lewego obrazu to 720 x 325 sekund łuku, a pole prawego obrazu wynosi 970 x 640 sekund łuku. Po lewej stronie zaznaczono czerwonym okręgiem obszar, w którym mogą znajdować się efekty instrumentalne. Na prawym obrazie zaznaczone są odległości do wybranych kłaczkowatych obłoków wewnątrz łukowatego "kokonu".  Powiększ.
Z pracy Decin et al.



Rys.4 Wyniki symulacji komputerowych. Obszar niebieski to przestrzeń wypełniona pyłem, a czerwona jest wypełniona gazem. Gwiazda centralna wyrzuca z siebie materię regularnie, w równych odstęptach czasu, co produkuje warstwową strukturę, z której składa się łukowaty "kokon". Efekt ten występuje tylko w ośrodku gazowym, a nie pyłowym i wymaga zmienej aktywności gwiazdy.
Z pracy Decin et al.