Betelgeza zmienia kształt w rytm Siwarhy, gwiazdy krążącej w jej atmosferze

Betelgeza, czerwony nadolbrzym wyznaczający ramię Oriona, nie jest idealnie okrągła, a skala jej odchylenia od kolistego kształtu zdaje się podążać za rytmem drugiej gwiazdy. Nowe mapy radiowe pokazują, że zewnętrzna atmosfera olbrzyma rozciąga się w lekki owal, gdy jej towarzyszka, Siwarha, osiąga najdalszy punkt swojej orbity względem gwiazdy, a następnie wraca ku kształtowi koła, kiedy towarzyszka przechodzi przed nią lub za nią.

Ten wzorzec jest uderzający, ponieważ Siwarha nie okrąża Betelgezy z bezpiecznej odległości. Przemieszcza się przez rozległą atmosferę olbrzyma, w odległości niewiele ponad dwukrotność promienia gwiazdy od jej środka, więc zmiana kształtu działa niczym fale na stawie, zdradzające ruch czegoś pod powierzchnią. „Ta towarzyszka krąży tak blisko gwiazdy, że faktycznie przechodzi przez jej rozciągniętą atmosferę”, powiedziała Lynn Matthews z MIT Haystack Observatory, która kierowała badaniem.

Te same obserwacje przynoszą drugi wynik. Atmosfera w dużej mierze zregenerowała się po Wielkim Pociemnieniu, epizodzie, podczas którego Betelgeza osiągnęła najmniejszą jasność w ponad stuletnich zapisach. Gaz, który tuż przed pociemnieniem stał się wyjątkowo chłodny, świeci obecnie w temperaturze około 3500 kelwinów, zbliżonej do temperatury widocznej powierzchni gwiazdy.

Betelgeza jest jednym z dwóch najbliższych czerwonych nadolbrzymów, masywnych gwiazd znajdujących się w ostatnich etapach życia, które pewnego dnia eksplodują jako supernowe. Sposób, w jaki takie gwiazdy zrzucają zewnętrzne warstwy, zanim do tego dojdzie, kształtuje pozostawianą przez nie chmurę materii, a towarzyszka przedzierająca się przez te warstwy stanowi nowy element tej historii.

Jak fale radiowe pozwalają astronomom badać atmosferę gwiazdy

Zespół, w którego skład weszli badacze z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, University of Manchester i European Southern Observatory, połączył dane z dwóch instrumentów. Very Large Array w Nowym Meksyku obejmował niższe częstotliwości, a ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array w Chile, wyższe. Łącznie obserwowano Betelgezę na siedmiu częstotliwościach, od 22 do 485 gigaherców, podczas kampanii prowadzonych między 2021 a 2026 rokiem.

Każda częstotliwość pochodzi z innej głębokości. Wyższe częstotliwości rejestrują gaz bliżej widocznej powierzchni, niższe zaś warstwy położone dalej, dzięki czemu zestaw danych buduje warstwowy obraz atmosfery, od obszaru tuż nad powierzchnią aż po odległości równe kilku promieniom gwiazdy. Betelgeza jest jedną z największych pozornie gwiazd na niebie, dlatego oba układy rozdzielają ją jako tarczę, a nie punkt. „To połączenie niezwykłych danych z NSF VLA i ALMA dało nam tutaj przekonujący wynik”, powiedziała Matthews. „Fakt, że możemy używać tych obserwatoriów do rzeczywistego rozdzielania tarcz pobliskich gwiazd, jest zdumiewający”.

Dla każdego obrazu zespół dopasował eliptyczną tarczę i odnotował jej rozmiar, orientację, temperaturę jasności oraz eliptyczność, czyli miarę tego, jak bardzo kształt odbiega od koła. Następnie zestawiono te wartości eliptyczności z przewidywanym położeniem towarzyszki, wyprowadzonym z opublikowanej orbity, i dodano trzy wcześniejsze pomiary z innych badań radiowych.

Badacze mieli niewielki wybór i musieli szukać Siwarhy pośrednio. Zakładając gwiazdę o promieniu około dwukrotnie większym od promienia Słońca i temperaturze około 12 000 kelwinów, jej własna emisja radiowa przy 44 gigahercach wynosiłaby w przybliżeniu 0,1 mikrodżanskiego, ponad dziesięć razy za mało, by można ją było wykryć w jakimkolwiek realnym czasie obserwacji. Nawet w najwyższych pasmach ALMA, gdzie byłaby jaśniejsza, pozostaje poniżej poziomu szumu na obrazach. Podczas tych obserwacji ALMA towarzyszka znajdowała się też niemal dokładnie przed gwiazdą, zaledwie około 23 milisekundy łuku od jej środka.

Chłodniejsza warstwa, gorętsza otoczka i gwiazda wracająca do normy

Na kilka miesięcy przed Wielkim Pociemnieniem badanie prowadzone przez Matthews wykazało, że atmosfera Betelgezy przy 44 gigahercach miała najniższą temperaturę jasności od 30 lat, co było oznaką, że fala uderzeniowa wywołana konwekcją głęboko we wnętrzu gwiazdy zaburzyła zewnętrzny gaz. Gwiazda później wyrzuciła materię, z której powstał pył częściowo przesłaniający nam widok na nią.

Nowe pomiary pokazują, że temperatury powróciły do zakresu obserwacji radiowych prowadzonych przez mniej więcej ostatnie trzy dekady. Przy 22 gigahercach gaz osiąga około 3500 kelwinów w odległości około 2,7 promienia gwiazdy, co jest porównywalne z temperaturą powierzchni wynoszącą od 3476 do 3650 kelwinów. Szczyt temperatury znajduje się obecnie dalej niż w pomiarach wykonanych przed 2016 rokiem, co autorzy interpretują jako możliwą zmianę sposobu, w jaki gęstość atmosfery spada wraz z wysokością.

Bliżej wnętrza dane ALMA o najwyższych częstotliwościach, sięgające bliżej powierzchni niż jakikolwiek wcześniejszy pomiar radiowy, wykazały gaz o temperaturze około 2200 kelwinów w odległości 1,2 promienia. To o ponad 1000 stopni chłodniej niż widoczna powierzchnia i potwierdza od dawna podejrzewane minimum temperatury między powierzchnią a gorętszą chromosferą ponad nią. Chłodna warstwa pokrywa się z MOLsphere, powłoką gazu molekularnego wywnioskowaną z obserwacji w podczerwieni. Przy każdej częstotliwości temperatury radiowe są również niższe od tych wyprowadzonych ze światła ultrafioletowego na tych samych wysokościach, co wskazuje na chłodny gaz zmieszany z gorącym materiałem chromosferycznym.

Dla porównania Betelgeza ma na niebie średnicę około 44 milisekund łuku. Gdyby znalazła się w miejscu Słońca, jej widoczna powierzchnia sięgałaby poza orbitę Marsa.

Towarzyszka, którą ustalano przez dziesięciolecia

Betelgeza od dawna jaśnieje i ciemnieje w dwóch rytmach: jednym trwającym około 400 dni oraz wolniejszym, około 2100-dniowym, czyli blisko sześcioletnim, którego przyczyna pozostawała niejasna. Dwa niezależne badania uznały, że wolny cykl wynika z obecności towarzyszki krążącej wewnątrz rozciągniętej atmosfery, w odległości około 2,3 promienia gwiazdy. Zespół wykorzystujący obrazowanie plamkowe poinformował następnie o wstępnym wykryciu i nadał jej nazwę Siwarha, po arabsku „jej bransoleta”, nawiązującą do własnej nazwy Betelgezy, „ręka al-Dżauzy”. Nazwa jest obecnie oficjalna w Międzynarodowej Unii Astronomicznej.

Pojawiły się kolejne dowody. Widma ultrafioletowe z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a pokazały kształty linii i prędkości podążające za orbitą towarzyszki, co ich autorzy zinterpretowali jako ślad ciągnący się za nią. Najmocniejsze potwierdzenie przyniosło bezpośrednie obrazowanie za pomocą instrumentu SPHERE na należącym do ESO Very Large Telescope, który wykrył towarzyszkę w przewidywanym położeniu. Wynik radiowy dodaje inny rodzaj sygnatury: wpływ towarzyszki na kształt samego olbrzyma.

Czego nie rozstrzygają mapy radiowe

Eliptyczność jest niewielka w każdym paśmie i w każdej epoce, a trend opiera się na ograniczonej liczbie obserwacji rozrzuconych wzdłuż orbity. Autorzy opisują wynik jako zgodny z okresowymi zaburzeniami wywoływanymi przez towarzyszkę, a nie jako dowód, i podkreślają, że do jego potwierdzenia potrzebne są kolejne epoki obejmujące szerszy zakres częstotliwości oraz faz orbitalnych.

W danych kryje się także zagadka. Eliptyczność podąża za towarzyszką na różnych częstotliwościach, lecz orientacja najlepiej dopasowanego owalu nie jest między nimi zgodna. Najwyższe pasma ALMA umieszczają jego dłuższą oś pod kątem od 31 do 47 stopni, dwa niższe pasma ALMA pod kątem około 140 stopni, a VLA pod kątem mniej więcej 90–120 stopni. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że każda częstotliwość próbuje inną warstwę trójwymiarowego zaburzenia, takiego jak ślad zaproponowany na podstawie danych Hubble’a, lecz pozostaje to do sprawdzenia.

Zespół przeszukał również obrazy pod kątem jasnych plam lub asymetrii w pobliżu przewidywanego położenia towarzyszki i nie znalazł żadnych, które można byłoby jednoznacznie z nią powiązać, częściowo z powodu umiarkowanej rozdzielczości przy niektórych częstotliwościach oraz niewygodnego położenia towarzyszki podczas najostrzejszych obserwacji. Natura samej Siwarhy, w tym jej masa i typ, wciąż jest przedmiotem dyskusji. Jeśli okaże się młodą, wykazującą rozbłyski gwiazdą, mogłaby wytwarzać zmienną emisję radiową przy niższych częstotliwościach, około 5–10 gigaherców, których te obserwacje nie obejmowały.

Najczęstsze pytania o Betelgezę i Siwarhę

Czym jest Siwarha?

Siwarha jest gwiazdą towarzyszącą Betelgezie. Krąży wewnątrz rozciągniętej atmosfery czerwonego nadolbrzyma, w odległości około 2,3 promienia gwiazdy, i wykonuje pełne okrążenie mniej więcej co 2100 dni. Jej nazwa po arabsku oznacza „jej bransoletę” i jest obecnie oficjalnym oznaczeniem IAU.

Czy Betelgeza odzyskała formę po Wielkim Pociemnieniu?

W zakresie fal radiowych, w dużej mierze tak. Temperatura jasności przy 22 i 44 gigahercach, która tuż przed pociemnieniem osiągnęła minimum z 30 lat, powróciła do zakresu mierzonego przez mniej więcej ostatnie trzy dekady. Samo pociemnienie, pod koniec 2019 i na początku 2020 roku, sprawiło, że Betelgeza osiągnęła najmniejszą jasność w ponad stuletnich zapisach.

Czy Betelgeza wkrótce eksploduje?

Nic w tym badaniu nie wskazuje na rychłą supernową. Betelgeza jest czerwonym nadolbrzymem w późnym etapie życia i oczekuje się, że pewnego dnia eksploduje, lecz te obserwacje śledzą zachowanie jej zewnętrznej atmosfery, a nie stan jej jądra.

Jak daleko znajduje się Betelgeza?

Szacunki są różne. W tym badaniu przyjęto odległość około 222 parseków, czyli w przybliżeniu 720 lat świetlnych, podczas gdy inne często cytowane wartości umieszczają gwiazdę bliżej, w odległości około 650 lat świetlnych. W każdym razie jest ona jednym z dwóch najbliższych Ziemi czerwonych nadolbrzymów.

Co dalej

Artykuł opublikowano w The Astronomical Journal we wrześniu 2026 roku, a National Radio Astronomy Observatory ogłosiło wyniki 27 października. W orbitalnej tabeli zespołu towarzyszka znajdowała się w kwietniu 2026 roku tuż za dalszą stroną gwiazdy i zmierzała z powrotem ku kolejnemu punktowi największego oddalenia, momentowi, w którym efekt owalnego kształtu powinien być najbardziej wyraźny. Autorzy chcą przeprowadzić nowe obserwacje w kolejnych epokach, obejmujące więcej częstotliwości i faz orbitalnych, oraz oczekują, że Square Kilometre Array i Next Generation Very Large Array uczynią takie pomiary rutynowymi. Do tego czasu jedynym sposobem obserwowania Siwarhy w świetle radiowym jest patrzenie, jak Betelgeza zmienia kształt.

Źródło: Matthews et al., „New Spatially Resolved Observations of Betelgeuse from the VLA and ALMA: Evidence for Atmospheric Perturbations from a Close Companion,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae953d

Tagi: astronomia, ALMA, Betelgeuse, czerwony nadolbrzym, gwiazdy podwójne, Siwarha