Niedawny spadek jasności Betelgezy aż do historycznego minimum +1,6 mag. 10 lutego 2020 r. wzbudził powszechne zainteresowanie tą gwiazdą. W związku z tym astronomowie z Steward Observatory (University of Arizona, USA) postanowili zbudować narzędzie zoptymalizowane do obserwacji tarczy tej gwiazdy. Jednak zamiast budować horrendalnie drogi teleskop optyczny o aperturze 12 metrów dedykowany tylko do obserwacji α Orionis, opracowali oni projekt niskobudżetowego interferometru optycznego o porównywalnej wielkości i przystąpili do realizacji tego projektu.
Betelgeza jest czerwonym nadolbrzymem o średniej obserwowanej jasności V ~ +0,42 mag i średnicy sięgającej aż do 7–10 jednostek astronomicznych. Jest to kandydatka na supernową w ciągu najbliższych maksymalnie kilkuset tysięcy lat (o zbliżającym się wybuchu Betelgezy jako supernowej dowiemy się parę tygodni wcześniej, ponieważ drastycznie wzrośnie liczba neutrin obserwowanych przez teleskopy neutrinowe). Gwiazda wykazuje znaczne zmiany jasności i mimo oznaczenia α Orionis nie jest najjaśniejszą gwiazdą w gwiazdozbiorze Oriona. Prawie zawsze jaśniejsza od niej jest β Orionis, czyli Rigel.
W okresie od listopada 2019 r. do końca maja 2020 r. zaobserwowano znaczny spadek jasności Betelgezy, aż do około +1,6 mag 10 lutego 2020 r. Podczas tego zjawiska temperatura efektywna gwiazdy nie zmieniała się i wynosiła ~3600 K. Ten niespodziewany spadek jasności zaburzył zmiany jasności o okresie ~420 dni i zrodził szereg pytań na temat przyszłości Betelgezy takich jak np.:
• Czy zjawiska spadku jasności α Orionis teraz będą występować bardzo często?
• Czy właśnie Betelgeza weszła w fazę tuż przed wybuchem supernowej?
Obraz tarczy Betelgezy uzyskany przed i po niespotykanym do tej pory spadku jasności (styczeń / grudzień 2019 r.) za pomocą instrumentu SPHERE współpracującego z teleskopem ESO VLT (Very Large Telescope). Źródło: ESO/M. Montargès et al.
Obserwacje wskazują na następujące prawdopodobne przyczyny tego niespodziewanego spadku jasności Betelgezy:
• powstanie ciemnych plam na powierzchni gwiazdy (obserwacje w zakresie fal elektromagnetycznych sub-milimetrowych – T.E.Dharmawardena ze współpracownikami),
• powstanie obłoku pyłowego, który przesłonił część światła gwiazdy w kierunku Ziemi (obserwacje ultrafioletowe HST i optyczne VLT - A.K.Dupree ze współpracownikami).
Potrzebne są ciągłe obserwacje w wysokiej rozdzielczości fotosfery Betelgezy, aby zweryfikować, która z wymienionych hipotez jest prawdziwa. Mowa o systematycznych obserwacjach przeglądowych (przynajmniej raz w tygodniu) fotosfery gwiazdy i materii wokółgwiazdowej.
Grafika ilustrująca w jaki sposób południowy obszar nadolbrzyma Betelgeza nagle mógł zmniejszyć jasność przez kilka miesięcy przy końcu 2019 r. i na początku 2020 r. Dwa panele od lewej prezentują widok obłoku gorącej plazmy (ultrafiolet – teleskop HST), który został wyrzucony z ogromnej komórki konwekcyjnej na powierzchni gwiazdy. Na trzecim panelu widać, że chmura plazmy stopniowo oddalając się – schłodziła się i uformowała obłok pyłu. I wreszcie panel od prawej ukazuje ten ogromny obłok pyłowy widziany z Ziemi, który przysłonił aż 1/4 tarczy tego nadolbrzyma. Źródło: NASA, ESA, and E. Wheatley (STScI).
Tarcza Betelgezy ma średnicę kątową ~43 mas („mas” - skrót z j. ang. „miliarcsecond” – milisekunda łuku, czyli 1/1000", 1° = 60' = 3600" = 3 600 000 mas). Dla porównania – gdy obserwujemy gołym okiem, jesteśmy w stanie rozróżnić dwie gwiazdy odległe na niebie o około jedną minutę łuku (~1' - tak obserwowano za czasów Kopernika, czy Tycho de Brahe). Natomiast rozdzielczość obserwacji teleskopem znajdującym się na Ziemi wynosi około jedną sekundę łuku (~1").
Aby z powierzchni Ziemi zobaczyć szczegóły na tarczy gwiazdy o średnicy kilkudziesięciu „mas” (np. Betelgeza ~43 mas = 0,043"), wykorzystuje się technikę zwana syntezą apertury. Synteza apertury jest rodzajem techniki interferometrycznej, w której miesza się sygnał pochodzący np. od zestawu teleskopów optycznych, by uzyskać obraz o rozdzielczości takiej, jaką dałby instrument o aperturze równej odległości pomiędzy skrajnymi teleskopami. Ta technika jest powszechnie wykorzystywana do uzyskiwania wysokiej rozdzielczości obrazów w zakresie optycznym, podczerwonym sub-milimetrowym i radiowym. Na przykład dzięki wykorzystaniu syntezy apertury po raz pierwszy uzyskano za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń obraz cienia czarnej dziury rezydującej w centrum galaktyki M87.
Obecnie nie istnieją działające interferometry zoptymalizowane do obserwacji tarczy gwiazdy takiej jak Betelgeza. W przeszłości taką funkcję zapewniały interferometry COAST lub IOTA. W obecnie działających interferometrach CHARA, VLTI, czy NPOI są problemy z pełnym pokryciem syntetyzowanej apertury, by uzyskać obraz Betelgezy. Planowane w przyszłości interferometry E-ELT i TMT o syntetyzowanych aperturach > 30 m będą w stanie uzyskać obraz tarczy Betelgezy o średnicy zaledwie 5 pikseli w filtrze podczerwonym J.
Ze względu na braku działających interferometrów zoptymalizowanych do obserwacji Betelgezy, N.Anugu ze współpracownikami zaprojektował niskobudżetowy interferometr optyczny składający się z 12 tub optycznych Orion Apex (teleskopy systemu Maksutowa-Cassegraina o aperturze 102 mm dostępne w handlu detalicznym) przymocowanych do 12-metrowej czaszy radioteleskopu. Rozdzielczość kątowa tego interferometru jest szacowana na około 5 mas dla obserwacji w filtrze R (zakres przepuszczalności filtru: 6300-7800 Å). W barwie R Betelgeza jest bardzo jasna (około -1 mag). Ten interferometr pozwoli więc uzyskać obraz tarczy Betelgezy o średnicy około 8 pikseli.
Betelgezę można obserwować tylko przez pół roku w miejscu, gdzie jest planowana budowa tego interferometru (Steward Observatory, University of Arizona, USA). Przez drugą połowę astronomowie planują obserwować drugiego co do jasności czerwonego nadolbrzyma na naszym niebie, czyli Antaresa (średnica tarczy ~37 mas, jasność w filtrze R ~ -0,65 mag).
Betelgeza-skop jest również zoptymalizowany do obserwacji tarczy bardzo interesującego układu symbiotycznego R Aqr. W tym układzie będzie można obserwować zaćmienie, które rozpocznie się w 2021 r. i zakończy w 2024 r.
Obecnie autorzy pomysłu budują do testów egzemplarz prototypowy interferometru – tylko jeden zestaw optyczny składający się teleskopu Orion Apex przymocowanego do czaszy 6-metrowego radioteleskopu. Światło z tego 102 mm teleskopu będzie dostarczane poprzez specjalnie zaprojektowany system optyczny i światłowody do detektora. Konstruowana jest pełna linia transmisyjna sygnału optycznego do detektora i przygotowywane oprogramowanie (software używany w interferometrze CHARA).
Astronomowie planują zbudowanie egzemplarza prototypowego interferometru do końca 2020 r.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa: Betelgeuse scope: single-mode-fibers-assisted optical interferometer design for dedicated stellar activity monitoring
Na ilustracji: Wizja artystyczna czerwonego nadolbrzyma Antaresa, którego najbardziej szczegółowy do tej pory obraz uzyskali astronomowie techniką interferometrii optycznej. Źródło: ESO/M. Kornmesser.
