Scoperto il motivo per cui Betelgeuse ha ridotto la propria luminosità

Per chi non si ricordasse, qualche mese fa gli astronomi avevano rilevato un’importante diminuzione della luminosità di Betelgeuse (da ottobre a febbraio ha perso 2/3 della propria luminosità, la super gigante rossa che si pensa possa diventare a breve una supernova. Il fatto che una stella diventi una supernova non è di per sè un evento così raro (negl ultimi 20 anni di osservazione da parte di Hubble di NGC 5468 ne sono state scoperte 5), ma quanto il fatto che se Betelgeuse esplodesse, diventerebbe visibile ad occhio nudo non solo di notte (peraltro lo è già), ma anche di giorno!

Chiusa questa premessa iniziale, torniamo a cosa è stato possibile capire grazie ad Hubble. Le osservazioni hanno permesso di capire che la diminuzione è stata causata da un’enorme espulsione di materiale caldo, che ha formato una nuvola di materiale, impedendo alla luce di filtrare come in precedenza. La nuvola si è formata quando una fuoriuscita di plasma supercaldo in risaltia verso una cella di convezione sulla superificie della stella è passato dall’atmosfera calda agli strati più freddi, dove si è raffreddato e ha formato i granelli di polvere, che hanno bloccato circa un quarto della superficie stellare. La situazione si è normalizzata intorno ad aprile 202.

Come già detto, Betelgeuse è una supergigante rossa molto vecchia, che è cresciuta in dimensione a causae dei cambiamenti in costante evoluzione che avvengono nel suo nucleo. Giusto per dare un paragone con il nostro Sole (una stella di medie dimensioni ed età) che ha un raggio di circa 700.000 km, Betelgeuse arriverebbe oltre l’orbita di Giove (778 412 020 km), quindi circa mille volte di più.


Crediti: NASA, ESA, and E. Wheatley (STScI)

Questa grafica mostra come le regioni meridionali di Betelgeuse possano aver portato alla diminuzione della luminosità della stella. Nelle prime due immagini (nello spettro degli UV) si può osservare una palla di plasma espulsa da una cella di convezione sulla superficie stellare. Nella terza illustrazione i gas espulsi si espandono rpaidamente all’esterno, raffreddandosi e formando dei granelli di polvere che oscurano la superficie. Nell’ultima immagine si può vedere la situazione dalla Terra, ovvero un quarto di superficie di Betelgeuse oscurata.

Inizialmente si era pensato a qualche oscuramento dovuto al passaggio di un oggetto freddo e grande che avrebbe oscurato la superifcie, ma osservazioni spettroscopiche in ultravioletto da parte di Hubble, iniziate nel gennaio 2019, hanno permesso di risolvere il mistero. HST ha infatti catturato segni di materiale caldo e denso che si muoveva attraverso l’atmosfera nel settembre, ottobre e novembre 2019. A dicembre, molti telescopi a terra hanno iniziato a notare la diminuzione di luminosità nell’emisfero meridionale. Le osservazioni sul movimento erano precedenti alla formazione della nuvola di polvere e indicavano che il materiale era da 2 a 4 volte più luminoso della stella.

Il paper del team dovrebbe essere su The Astrophysical Journal dal 2020-08-12T22:00:00Z.

L’importanza di stelle supergiganti come Betelgeuse è insita nella loro esplosione, che libera elementi pesanti come cabronio, il costituente fondamentale per la generazione di nuove stelle, oltre che della vita come è conosciuta attualmente.

Le osservazioni di Betelgeuse da parte di Hubble si inseriscono all’interno di un programma triennale per lo studio e il monitoraggio della variazione dell’atmosfera esterna delle stelle: Betelgeuse infatti è una stella variabile che si espande e contrae e aumenta e diminuisce la prorpia luminosità in un ciclo di 420 giorni.
L’analisi nell’ultravioletto ha permesso di stabilire che gli strati sopra la superficie della stella raggiungono e superano gli 11000°C. Temperature così alte non permettono misurazioni nel visibile (per maggiori informazioni sulla spettroscopia, c’è un ottimo messaggio di @marcozambi).

Emissione di radiazione da un corpo

Apro una parentesi (eventualmente creerò un thread dedicato per spiegare bene) su come si capisce la temperatura di una stella tramite l’emissione di certe lunghezze d’onda. Non me ne vogliano i fisici se faccio delle semplificazioni.

Alla base dello studio della temperatura di un corpo ci sono dietro anni di studi e rivoluzioni della fisica. I primi tentativi di stabilire una relazione tra l’emissione di energia (quindi luce a varie lunghezze d’onda) si scontravano con un problema nelle vicinanze dell’ultravioletto, tanto da creare il nome di “catastrofe dell’ultravioletto”. Per farla breve, i due modelli prevalenti (Rayleigh-James e Wien) fallivano rispettivamente a lunghezze d’onda molto corte e molto lunghe, per un semplice motivo: l’ipotesi di base è che l’energia scambiata fosse una quantità continua e non discreta, come in seguito Planck avrebbe (non del tutto convinto) proposto. Energia continua significa che può essere scambiata in qualsiasi quantità, mentre discreta che può esserlo solo in “pacchetti” dal contenuto ben definito. Planck, dopo numerosi esperimenti e tentativi di spiegare in maniera classica (come i due fisici di prima), si rassegnò e stabilì che l’energia poteva essere scambiata solamente in pacchetti da energia pari a h\lambda, con h costante di Planck (no, non era autoreferenzialista, gli è stata assegnata dopo) e \lambda frequenza.

La legge di Planck è la seguente:
B_{\lambda}=\dfrac{2h\lambda^3}{c^2}\dfrac{1}{e^{\frac{h\lambda}{k_BT}}-1}
dove c è la velocità della luce, T la temperatura e k_B la costante di Boltzmann.

In questa immagine (credits Wikipedia-Paperoastro) si può vedere come a diversi picchi di lunghezza d’onda corrispondo diverse temperature.

Tutto questo discorso (spero sia capibile e utile) serve a capire come mai nel visibile non si avrebbero avuto misurazioni: lo spettro di una stella con 11000 K di temperatura superficiale, avrebbe avuto emissione nel visibile troppo bassa.

Tornando allo spettro di Betelgeuse, Hubble, ad inizio e fine 2019 e nel 2020 ha misurato quello di Mg++, mentre tra settembre e novembre 2019 hanno misurato del materiale muoversi a circa 300.000 km/h dalla superficie all’atmosfera esterna e come già detto, raggiunto qualche milione di chilometri, si è raffreddato abbastanza da formare la nuvola di polvere. Quesa ipotesi è supportata con le osservaioni di febbraio 2020, che hanno visto un graduale ritorno alla normalità nella luminosità.

Sebbene le cause di questa espulsione non siano ancora note con certezza, si ritiene che sia stata favorita dal ciclo di pulsazione della stella, che è proseguito normalmente. Misurazioni usando STELLA, un telescopio automatico, hanno evidenziato che la stella si stava espandendo proprio finchè i gas nel ciclo convettivo stavano risalendo: la pulsazione quindi avrebbe favorito la fuoriuscita di plasma, stimato nel doppio del quantitativo normale. Come tutte le stelle, infatti, Betelgeuse sta perdendo massa, solo che ad un ritmo 30 miioni di volte superiore a quello del Sole (che consuma circa 4.2\cdot10^{9} kg/s).

Betelgeuse è così vicina e grande che Hubble è riuscito a mapparen la superficie, l’unica stella assieme al
Sole.

Come ricordato in paertura, Betelgeuse è destinata a diventare una supernova e l’improvvisa diminuzione di luminosità è stata interpretata come un segno dell’imminente esplosione. Come per tutti gli oggetti nel cielo (ma anche lo schermo davanti ai vostri occhi e i suoni che sentite) provengono dal passato. Questo perchè la luce ha una velocità finita di propagazione (che per quanto alta, non è infinita), per cui impiega del tempo a raggiungere i nostri osservatori o i nostri occhi. Essendo Betelgeuse a 725 anni luce da noi, l’esplosione sarebbe avvenuta intorno al 1300, quando sulla Terra Dante doveva ancora scrivere la Divina Commedia.

L’osservazione di una supernova in diretta sarebbe un risultato importantissimo, pechè nessuna è stata mai osservata “mentre” (giorni o settimane prima) esplodeva, ma al massimo un anno dall’esplosione. In ogni caso, le probabilit che una stella diventi presto una supernova sono molto basse.

Verso fine agosto o inizio settembre si avranno ulteriori possibilità di osservare Betelguse con Hubble, dal momento che attualmente è nella luce del giorno e troppo vicina al Sole per effettuare osservazioni. Ma nulla è perduto: STEREO ha scattato delle immagini dal suo punto privilegiato, evidenziando nuovamente una diminuzione della luminosità, anche se non come ad inizio anno.

Fonte: Hubble solved mistery about Betelgeuse.

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