Используя технику томографии звездных атмосфер, ученые приблизились к пониманию причин Великого потемнения Бетельгейзе — самого сильного падения ее яркости за всю историю современных наблюдений. По мнению ученых, причиной стало совместное действие возникшей у основания атмосферы ударной волны и восходящих конвективных потоков на видимой стороне звезды. В результате над поверхностью звезды образовалось молекулярное облако с пониженной прозрачностью, что и привело к потемнению. Работа принята к публикации в A&A Letters.
Бетельгейзе — десятая по яркости звезда неба, а в инфракрасном диапазоне — наиболее яркая. Это также ближайший к земле представитель сверхгигантов — звезд значительной массы, примерно от 10 до 40 солнечных, находящихся на поздней стадии звездной эволюции. Такие звезды чрезвычайно велики в размерах, в сотни раз превышая Солнце и имеют огромную светимость. Красные сверхгиганты, к которым относится Бетельгейзе, могут иметь весьма низкую по звездным меркам температуру фотосферы — примерно от 3500 до 4000 кельвин.
Огромные размеры и крайне малая плотность поверхностных слоев способствуют развитию неустойчивостей и пульсаций, с интенсивным звездным ветром и эпизодами сильного истечения вещества. Это делает красные сверхгиганты интересными для астросейсмологических исследований объектами. Бетельгейзе меняет свою видимую величину примерно от 0,2 до 1,5 с периодом в 410-430 дней. Менее выражены колебания с периодами 2000 дней и 185 дней. Природа этих циклов, по-видимому, кроется в совместном влиянии каппа-механизма и осцилляций, вызванных работой гигантских конвективных ячеек в атмосфере, присущих гигантам и сверхгигантам.
В феврале 2020 года падение яркости в очередном цикле было особенно сильным — почти до звездной величины 1,7. Фактически, за короткий срок, несколько месяцев, звезда потускнела в видимом диапазоне в 2,8 раза (полная светимость при этом изменилась мало, так как холодные красные сверхгиганты излучают в основном в инфракрасном диапазоне). В отношении этого события — Великого потемнения 2019-2020 годов, существует несколько гипотез: формирование пылевых облаков над видимой стороной звезды, временное падение температуры фотосферы на несколько сотен кельвин или появление обширных пятен.
Астрофизики из Бельгии, Германии, Франции и Швеции под руководством Катерины Кравченко (Kateryna Kravchenko) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Германии на протяжении пяти лет: с ноября 2015 года по сентябрь 2020 года проводили наблюдения звезды на 1,2-метровом телескопе Меркатора в обсерватории на острове Ла-Пальма в Испании. Наблюдения велись с использованием спектрографа HERMES на длинах волн от 380 до 900 нанометров. При обработке данных ученые использовали разработанный ранее метод томографии звездных атмосфер. В соответствии с моделью атмосферы Бетельгейзе (использовалась одномерная модель MARCS, модифицированная под характеристики звезды) они распределили наблюдаемые спектральные линии по группам по глубине возникновения в атмосфере. Авторы назвали это «наложением масок» на спектр. Всего использовалось пять масок: от С1 для внутреннего слоя фотосферы до С5 для наружного.
Далее, по доплеровскому сдвигу спектральных линий, физики рассчитали усредненные радиальные скорости (относительно центра звезды) в каждом из этих пяти слоев. По градиенту скорости между слоями можно судить о процессах сжатия, либо расширения в фотосфере. Выяснилось, что волны сжатия-расширения почти точно соответствуют изменениям на кривой блеска звезды, хотя и с временной задержкой. Расширение соответствует потемнению.
В последнем цикле активности, в котором и наблюдалось Великое потемнение, перепады скоростей между слоями оказались велики, более чем в 2 раза выше по сравнению с предыдущими циклами. По мнению ученых, это говорит о быстром расширении наружного слоя. Необычайно мощное расширение и истечение вещества они объяснили влиянием двух различных механизмов. Первый из них связан с возникновением в атмосфере звезды ударных волн. Дело в том, что в двух предыдущих Великому потемнению циклах активности наблюдались эпизоды с удвоением линий поглощения в спектре. Это явление известно для переменных красных гигантов (например переменных типа Миры) в максимуме блеска. Вызвано оно механизмом, описанным Мартином Шварцшильдом в 1954 году и связано с подъёмом из глубины сферически симметричной ударной волны.
Авторы предполагают, что этот механизм работает и в случае с Бетельгейзе, хотя в целом для красных супергигантов, в отличие от красных гигантов, он не характерен, в их атмосферах более сложная динамика, а ударные волны далеки от симметричных. Тем не менее, по мнению авторов, в январе 2019 года в основании атмосферы Бетельгейзе зародилась мощная ударная волна, вызвавшая сначала сильное сжатие фотосферы, а с мая 2019 года — не менее интенсивное расширение. В это же время в конвективных ячейках на всем видимом полушарии Бетельгейзе происходило преимущественно восходящее движение. Совместно оба эти процесса и привели к обширному выбросу.
Впрочем, даже если принять что выброшенное восходящим движением вещество имело максимальную измеренную авторами работы скорость (семь километров в секунду), за время Великого потемнения (240 дней) оно не смогло бы уйти достаточно далеко, чтобы охладиться с образованием пыли (около 200 солнечных радиусов от поверхности звезды, при необходимых 700). Авторы предполагают, что истинной причиной потемнения была не пыль, а образовавшееся при охлаждении потока облако нейтральных молекул со сниженной прозрачностью. Подобные облака, в виде сплошной оболочки, бывают у красных гигантов асимптотической ветви.
