Grupa naukowców kierowana przez Alexa Lobela z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics przedstawila na 203 spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego wyniki obserwacji pobliskiej olbrzymiej gwiazdy Betelgeza. Na podstawie obserwacji wykonanych przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a udało im się bezpośrednio stwierdzić, że gorący gaz ucieka z atmosfery gwiazdy i można go znaleźć w największej odległości od powierzchni jaką udało się kiedykolwiek zanotować. Gorącemu gazowi udaje się w jakiś sposób przetrwać ciężkie warunki jakie panują w rozdętej górnej części atmosfery gwiazdy.

Do obserwacji wykorzystano bardzo czuły spektrometr Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). Zmierzono, że ciepła chromosfera Betelgezy rozciąga się przeszło pięćdziesiąt razy dalej, niż wynosi promień gwiazdy w świetle widzialnym i równocześnie pięć razy dalej niż orbita Neptuna.

W tym ogromnym zimnym i pylistym obszarze atmosfery gwiazdy STIS wykrył ślady rozrzedzonego gorącego gazu. Obserwacje mają pomóc określić mechanizm formowania się i utrzymywania ciepłej otoczki również wokół innych czerwonych i żółtych gwiazd, w tym Słońca.

Betelgeza jest jasną gwiazdą w gwiazdozbiorze Oriona. Hubble obserwował ją przez pięć lat. Naukowcy odkryli, że w chromosferze dochodzi do „bąbelkowania”, kiedy gaz jest wypychany z jednej strony gwiazdy, a następnie opada spowrotem na drugą – podobnie jak to się dzieje w tak zwanej lampie lawowej.

„Górna warstwa atmosfery Betelgezy to wielka zimna chmura pyłu otaczająca olbrzymią gwiazdę. Posiadana przez nas wiedza o powstawaniu chromosfery powinna wyjaśniać, jak dochodzi do wysłania gorącego gazu tak daleko w przestrzeń. Duża ilość gazu ma temperaturę poniżej 1000 stopni Celsjusza wynika z obecności pyłu, jednak najwidoczniej temu gazowi towarzyszy gorętszy zjonizowany gaz pochodzący z rejonu znajdującego się blisko powierzchni gwiazdy” – mówi Lobel.

Wcześniej teleskopy naziemne wykrywały ciepły gaz blisko gwiazdy, jedynie w słabej chromosferze w odległości zaledwie pięciu promieni gwiazdy, porównywalnej z orbitą Saturna (podczas gdy powierzchnia fotosfery gwiazdy sięga do orbity Jowisza).

Gdy płonie zapałka, powietrze rozgrzewa się bezpośrednio nad płomieniem, ale ciepło szybko rozprasza się w zimniejszym otoczeniu. W górnych warstwach amosfery Betelgezy gorący i zminy gaz mieszają się z sobą, ale gorący gaz nie znika aż do bardzo dużych wysokości, gdzie obserwuje się już znacznie więcej zimnego gazu.

Spektra wykonane przez STIS w ultrafiolecie ukazują skrajne regiony chromosfery, które zawierają gorący gaz o temperaturze 2600 Kelwinów. Zimny gaz ma natomiast temperaturę 1500 Kelwinów. Jeszcze wyższa temperatura doprowadziłaby już do zniszczenia cząsteczek gazu, który świecą w podczerwieni w znacznej odległości od gwiazdy.

Szalejące fale uderzeniowe

Naukowcy rozważyli kilka hipotez wyjaśniających obecność zarówno gorącego jak i zimnego gazu w chromosferze olbrzyma. Jedna wskazuje na obecność wielu fal uderzeniowych w chromosferze. Front fali powoduje ściśnięcie gazu i jego podgrzenie. Gdy fala się oddala, gaz ochładza się. Fale uderzeniowe byłyby wstanie podgrzać duże ilości gazu w dużej odległości od powierzchni gwiazdy. A po przejściu fali temperatura maleje tak szybko, że cząsteczki pyłu mogą się formować i nie zostają całkowicie zniszczone.

Najnowsze obserwacje wskazują również, że prędkość wypływu ciepłego gazu zwiększa się wraz z odległością. „To kolejny argument za modelem fali uderzeniowej” – mówi Lobel. – „Gdyby atmosfera była statyczna, różnice temperatur uległyby zatarciu pod wpływem naturalnej wymiany ciepła„.

Gdy na Ziemi w atmosferze zetkną się ciepłe i zimne masy powietrza, może dojść do gwałtownych sztormów. Podobnie atmosfera Betelgezy jest bardzo turbulentna. Jak pokazuje badanie widma, prędkość turbulencji może lokalnie byc większa od prędkości dźwięku. Ponaddźwiękowe turbulencje mogą być rezultatem fali uderzeniowej albo objawem przepływu energii między ciepłym a zimnym gazem.

Pulsująca atmosfera

W drugim modelu rozważana jest oscylacja chromosfery. Części niestabilnej powierzchni gwiazdy czasami gwałtownie wybrzuszaja się w różnych kierunkach, wyrzucając gorące pióropusze w zimne otoczenie. W dużej odległosci od powierzchni gęstość chłodnej atmosfery znacznie maleje, co uniemożliwia jej przechwycenie ciepła niesionego przez pióropusz. Pióropusze stygną jeszcze wyżej niż obserwował STIS, tam, gdzie gęstość zmniejsza się do gęstości zimnego gazu.

Naukowcy mają zamiar przebadać również inne pobliskie olbrzymy, by zorientować się, czy również w innych wypadkach chromosfera rozciąga się tak daleko. „Potrzebujemy dodatkowych obserwacji by potwierdzić obecność gorącego gazu w odległości 50 promieni gwiazdy” – mówi Jason Aufdenberg.

Poszukiwania przyczyny powstawania chromosfery wokół gwiazd sięgają kilku dekad wstecz, do obserwacji niepozornej chromosfery Słońca, która rozciąga się na zaledwie kilka procent promienia gwiazdy. Betelgeza to jeden z nadolbrzymów znajdujących się w galaktyce, który, mimo że znajduje się w odległości 425 lat świetlnych jest jedną z siedmiu najjaśniejszych gwiazd na niebie północnym. Najnowsze obserwacje chromosfery gwiazdy wykonane przez Teleskop Hubble’a przybliżają naukowców do rozwiązania problemu chromosfery.