Бетельгейзе — одна из самых известных звезд ночного неба и одна из ближайших к Земле красных сверхгигантов. Огромная звезда в созвездии Ориона давно привлекает внимание астрономов необычной переменностью, мощным звездным ветром и сложной структурой внешних слоев.
Теперь наблюдения позволили рассмотреть внутреннюю часть ее протяженной атмосферы с исключительно высокой детализацией. Радиотелескоп ALMA обнаружил, что эта область далека от однородной: она имеет неровную форму, содержит крупные горячие области и заметно отклоняется от сферической симметрии.
Особенно интересным оказалось сравнение новых данных с наблюдениями, выполненными примерно семь лет назад. Самая яркая горячая область практически не изменила своего положения и интенсивности. Для моделей конвекции красных сверхгигантов такая долговечность стала неожиданностью.
Наблюдения также показывают, что наиболее заметные горячие области расположены вдоль определенного направления. Оно может быть связано с предполагаемой ориентацией оси вращения Бетельгейзе и, возможно, с орбитой недавно обнаруженного близкого компаньона. Однако эта связь пока остается гипотезой, которую предстоит проверить дополнительными наблюдениями.
Бетельгейзе — необычная звезда на позднем этапе эволюции
Бетельгейзе относится к красным сверхгигантам — чрезвычайно крупным и ярким звездам, находящимся на поздней стадии звездной эволюции. Она расположена примерно в 600 световых годах от Земли и имеет радиус порядка 800 солнечных радиусов. Благодаря огромным размерам ее внешние слои можно изучать с гораздо большей детализацией, чем у большинства других звезд.
Красные сверхгиганты отличаются не только размерами. Их внешние слои находятся в состоянии интенсивного движения. Огромные конвективные ячейки переносят энергию из глубин к поверхности, а возникающие при этом потоки газа способны формировать крупные неоднородности.
Для Бетельгейзе это особенно важно, поскольку звезда активно теряет вещество. Ее звездный ветер постепенно переносит газ во внешнее пространство, обогащая межзвездную среду веществом, которое ранее находилось внутри звезды.
Почему поверхность Бетельгейзе нельзя представить как гладкую сферу
У обычной звезды поверхность на изображении может казаться относительно равномерной. У красного сверхгиганта картина значительно сложнее.
Внутри Бетельгейзе происходят масштабные конвективные движения. Горячий газ поднимается из более глубоких областей, расширяется и охлаждается, после чего более холодное вещество опускается обратно. Такие процессы создают огромные конвективные структуры.
У Солнца конвекция проявляется в виде грануляции — множества сравнительно небольших ячеек. У красного сверхгиганта отдельные конвективные структуры могут занимать колоссальную часть видимой поверхности.
Поэтому яркие и более холодные области могут сохраняться достаточно долго и создавать выраженную неоднородность излучения.
Внешняя атмосфера играет роль в потере массы
Внешние слои Бетельгейзе простираются далеко за пределы видимой поверхности звезды. Именно эта протяженная атмосфера представляет особый интерес для понимания того, каким образом красные сверхгиганты теряют массу.
Газ, поднятый конвекцией, может перемещаться в атмосферу, где происходят дальнейшие процессы, способствующие его удалению от звезды. Таким образом, структура атмосферы связана не только с внешним видом Бетельгейзе, но и с ее долгосрочной эволюцией.
Понимание этих процессов важно и для изучения химической эволюции Галактики, поскольку вещество, выброшенное массивными звездами, со временем смешивается с межзвездным газом и может участвовать в формировании следующих поколений звезд и планет.
Что увидел радиотелескоп ALMA
Новое исследование основано на наблюдениях Бетельгейзе, выполненных с помощью комплекса ALMA — Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. Это система из 66 радиотелескопов, расположенная в пустыне Атакама в Чили.
ALMA наблюдает Вселенную в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Для исследования Бетельгейзе это особенно полезно, поскольку излучение на таких длинах волн позволяет изучать не только видимую поверхность звезды, но и более глубокие слои ее протяженной атмосферы.
Наблюдения проводились в 2023 году
Новую серию наблюдений выполнили в 2023 году, используя конфигурацию ALMA с максимально длинными расстояниями между антеннами. Это позволило добиться углового разрешения примерно до 7 миллисекунд дуги на наиболее коротких из использованных длин волн.
Для сравнения: такая детализация исключительно высока для наблюдений звезды, находящейся примерно в 600 световых годах от Земли.
Исследователи получили изображения в диапазоне длин волн от 0,6 до 1,4 миллиметра. Одновременно изучались спектральные линии молекул оксида кремния и угарного газа, а также их изотопных разновидностей. Это позволило исследовать не только распределение яркости, но и структуру окружающего звезду газа.
Почему понадобилось сравнение с данными 2015 года
Особую ценность новым наблюдениям придает наличие более раннего набора данных.
ALMA уже наблюдала Бетельгейзе в 2015 году с высокой пространственной детализацией. Поэтому исследователи получили возможность сравнить практически одно и то же явление в два разных момента времени.
Разница между наблюдениями составила около семи лет. Для человеческого наблюдателя это большой промежуток, но для некоторых процессов в атмосфере огромной звезды он позволяет проверить, насколько долговечны обнаруженные структуры.
Именно такое сравнение стало ключом к наиболее неожиданному результату работы.
Внутренняя атмосфера Бетельгейзе оказалась неровной
Излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах показало, что внутренняя часть атмосферы Бетельгейзе не имеет идеально круглой формы.
Основная область излучения соответствует оптически плотной субмиллиметровой фотосфере, радиус которой составляет примерно 1,1–1,3 радиуса самой звезды в оптическом определении ее размера.
При этом температура этой области относительно стабильна и составляет около 2300 К. Однако поверх этого достаточно однородного общего фона наблюдаются крупные локальные отклонения.
Два особенно ярких горячих участка
На изображениях выделяются две горячие области — одна на северо-восточной стороне диска Бетельгейзе, другая на юго-западной.
Наиболее яркая из них имеет температуру примерно на 800 К выше окружающей области.
Это не небольшие пятна в привычном земном смысле. Масштабы звезды настолько огромны, что даже локальная структура на ее поверхности может иметь размеры, сопоставимые с масштабами целых планетных систем.
Поэтому наблюдаемая неоднородность фактически представляет собой гигантскую область измененного состояния газа в атмосфере сверхгиганта.
Форма фотосферы тоже меняется по направлению
Исследователи обнаружили отклонения радиуса субмиллиметровой фотосферы примерно до 6% от среднего значения.
Иными словами, эта область не выглядит идеально сферической даже на таком крупном масштабе. Ее контур имеет своеобразные «волны» и неровности.
Более слабое непрерывное излучение прослеживается примерно до 2,5 радиуса звезды. На сопоставимых расстояниях обнаруживается и неоднородное молекулярное излучение от газа, содержащего оксид кремния и угарный газ.
Самое необычное — горячее пятно почти не изменилось за семь лет
Главной неожиданностью стало сравнение наиболее яркой горячей области с наблюдениями 2015 года.
Она находилась практически в том же месте и имела сходную интенсивность. Это означает, что структура сохранялась как минимум в течение примерно семи лет.
Для процессов, связанных с конвекцией, такой результат оказался неожиданным.
Конвективные структуры должны быть динамичными
Конвекция предполагает движение огромных масс газа. Горячий материал поднимается, а более холодный опускается обратно.
В моделях красных сверхгигантов такие крупные конвективные структуры обычно не считаются вечными. Они должны изменяться, перемещаться и постепенно исчезать.
Однако наблюдаемая горячая область сохранилась намного дольше, чем ожидалось для некоторых моделей.
Это не означает, что конвекция в Бетельгейзе работает неправильно. Скорее, долговечность структуры указывает на то, что реальные процессы в атмосфере звезды сложнее упрощенных моделей или что в них существует механизм, способный поддерживать определенные области значительно дольше.
Почему устойчивость пятна важна для астрофизики
Если горячая область действительно связана с конвективной ячейкой или системой ячеек, ее длительное существование дает информацию о характере движения вещества внутри сверхгиганта.
Это позволяет проверять модели, описывающие перенос энергии в таких звездах.
Особенно важно то, что речь идет не о косвенном признаке, а о пространственно разрешенной структуре, которую удалось сравнить в разные эпохи наблюдений.
Таким образом, Бетельгейзе становится своеобразной лабораторией для изучения конвекции в звездах, которые во много сотен раз больше Солнца.
Что могут означать горячие области
Наиболее естественным объяснением наблюдаемых горячих структур считаются процессы, связанные с конвекцией и ударными волнами.
Когда крупные конвективные потоки поднимаются из внутренних областей, они могут воздействовать на вышележащий газ. В атмосфере возникают ударные процессы, нагревающие вещество и создающие локальные области повышенной температуры.
Исследователи связывают обнаруженные горячие участки именно с такими активными процессами. Но их необычно длительное существование требует дальнейшего изучения.
Горячие пятна могут быть связаны с полярными областями
Еще одна интересная особенность заключается в их расположении.
Горячие области ориентированы вдоль определенного направления на диске Бетельгейзе. Если принять определенную ориентацию оси вращения звезды, эти структуры могут находиться близко к предполагаемым полярным областям.
Это позволяет предположить, что конвекция около полюсов может иметь особенности, из-за которых некоторые структуры оказываются более устойчивыми.
Но здесь важно разделять наблюдение и интерпретацию. Сам факт существования горячих пятен и их определенного расположения установлен наблюдениями. Связь с полярной конвекцией является объяснением, которое требует дальнейшей проверки.
Возможный компаньон Бетельгейзе может оказаться важной частью загадки
Еще более интересная возможность связана с тем, что у Бетельгейзе, вероятно, есть близкий звездный компаньон.
Сильные свидетельства существования небольшого спутника появились в исследованиях, опубликованных в 2026 году. Если его орбита действительно расположена вблизи экваториальной плоскости Бетельгейзе, это может иметь отношение к наблюдаемому распределению горячих областей.
Однако пока нельзя утверждать, что именно компаньон создает обнаруженные пятна.
Что известно о предполагаемом спутнике
Компаньон намного меньше Бетельгейзе и обращается очень близко к ней по астрономическим меркам.
Его существование важно потому, что взаимодействие двух звезд может влиять на движение вещества и структуру атмосферы главной звезды.
Но параметры орбиты пока недостаточно хорошо установлены для того, чтобы однозначно связать ее с конкретными особенностями атмосферной структуры.
Поэтому исследователи рассматривают связь между спутником и горячими областями как возможную, а не доказанную.
Почему орбита компаньона может иметь значение
Если орбитальная плоскость спутника действительно совпадает или близка к экваториальной плоскости Бетельгейзе, то направление на полюса звезды становится особенно интересным.
Наблюдаемые горячие области могут оказаться расположенными вблизи предполагаемых полярных регионов. Это согласуется с возможностью того, что конвективные процессы в этих областях имеют особые свойства.
Но для подтверждения этой картины необходимо получить дополнительные данные о движении компаньона и продолжить мониторинг атмосферы Бетельгейзе.
Бетельгейзе не показала явных признаков вращения атмосферы
При изучении такой крупной звезды естественно ожидать, что вращение окажет заметное влияние на структуру газа.
Однако новые данные не обнаружили убедительных признаков звездного вращения в исследованных линиях излучения протяженной атмосферы или в поглощении газа на фоне фотосферы.
Это важный отрицательный результат.
Он означает, что обнаруженную неоднородность нельзя просто объяснить обычным вращением звезды. Структура атмосферы, по-видимому, связана с более сложным сочетанием процессов.
Газовая структура за семь лет изменилась
При этом отсутствие явных признаков вращения не означает, что атмосфера Бетельгейзе остается неизменной.
Напротив, структура молекулярного газа существенно изменилась между наблюдениями 2015 и 2023 годов.
Получается своеобразная картина: некоторые элементы атмосферы быстро меняются, тогда как наиболее яркая горячая область сохраняет свое положение и приблизительно ту же интенсивность.
Именно это сочетание устойчивости и изменчивости особенно интересно для понимания физики красных сверхгигантов.
Связана ли новая картина с Великим потемнением 2020 года
Бетельгейзе стала особенно известна после необычного падения ее яркости в конце 2019 — начале 2020 года.
Звезда стала примерно в 2,5 раза слабее обычного, после чего событие получило название «Великое потемнение».
Позднейшие исследования показали, что это событие было связано с выбросом вещества и образованием пылевого облака, которое частично закрыло видимый свет звезды.
Почему новые наблюдения особенно интересны после потемнения
Новые высокодетальные наблюдения позволяют исследовать атмосферу Бетельгейзе уже после этого необычного события.
Однако обнаруженная семилетняя устойчивость горячего пятна сама по себе не доказывает, что именно оно вызвало потемнение 2020 года.
Сравнение с данными 2015 года показывает существование долговечной структуры, но связь между этой структурой и конкретным эпизодом изменения яркости требует отдельного анализа.
Поэтому корректнее говорить, что новые данные помогают изучать состояние Бетельгейзе после Великого потемнения, а не утверждать, что обнаруженное пятно объясняет это событие.
Почему атмосфера Бетельгейзе важна для понимания ее будущего
Красные сверхгиганты активно теряют вещество. Этот процесс постепенно меняет массу звезды и ее окружение.
Для Бетельгейзе особенно важно понять, каким образом движение газа из внутренних областей превращается в устойчивый звездный ветер и какие механизмы помогают веществу преодолеть притяжение звезды.
Конвекция может быть связана с выбросом вещества
Крупные конвективные движения способны переносить газ из глубин к поверхности.
В более высоких слоях атмосферы вещество может подвергаться дополнительному нагреву, ударным процессам и взаимодействию с образующимися пылевыми частицами.
В совокупности эти процессы участвуют в формировании мощного потока вещества, покидающего звезду.
Поэтому неоднородность атмосферы — не просто необычная деталь изображения. Она может быть частью физического механизма, который определяет, как Бетельгейзе теряет внешние слои.
Выброшенное вещество обогащает межзвездное пространство
Красные сверхгиганты возвращают в окружающую среду материал, переработанный внутри звезд.
Вещество, потерянное Бетельгейзе, со временем смешивается с межзвездной средой. Подобные процессы имеют значение для химической эволюции Галактики, поскольку тяжелые элементы, созданные звездами, становятся частью будущих звездных систем.
Изучение того, как именно Бетельгейзе выбрасывает вещество, поэтому связано с более общей проблемой эволюции галактик.
Почему ALMA оказался особенно полезен для изучения Бетельгейзе
Оптические изображения позволяют увидеть яркость фотосферы и крупные пятна на поверхности звезды. Но внутренняя атмосфера Бетельгейзе имеет более сложную структуру, которую удобно изучать на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн.
ALMA позволяет получать пространственно разрешенные изображения и одновременно исследовать спектральные линии молекул.
Наблюдения показывают не только яркость
По непрерывному излучению можно изучать структуру и температуру соответствующей области атмосферы.
Спектральные линии молекул дают дополнительную информацию о газе, включая его распределение и движение.
Поэтому комбинация изображений и спектроскопии позволяет получить гораздо более полную картину, чем простое наблюдение звезды в видимом свете.
Для Бетельгейзе это особенно важно, поскольку значительная часть интересующей исследователей структуры находится за пределами обычной оптической фотосферы.
Исключительное разрешение позволило увидеть детали атмосферы
Разрешение примерно 7 миллисекунд дуги позволило исследователям различать особенности внутренней атмосферы Бетельгейзе с беспрецедентной для подобных наблюдений детализацией.
Авторы сравнивают полученную пространственную способность с возможностью различать чрезвычайно малые детали на поверхности Луны при наблюдении с Земли.
Это не означает, что телескоп непосредственно рассматривает отдельные «объекты» размером с десятки метров на Бетельгейзе. Такое сравнение иллюстрирует именно угловое разрешение системы. Реальные физические размеры обнаруженных атмосферных структур огромны.
Что еще предстоит выяснить
Новые наблюдения значительно уточнили картину внутренней атмосферы Бетельгейзе, но одновременно породили новые вопросы.
Главный из них связан с долговечностью горячих областей. Если конвективные структуры должны заметно изменяться за более короткие сроки, необходимо понять, почему некоторые особенности сохраняются годами.
Другой вопрос касается возможного влияния близкого компаньона.
Нужны новые наблюдения в течение следующих лет
Продолжительный мониторинг позволит определить, насколько стабильны горячие области и как быстро меняется окружающий молекулярный газ.
Если горячее пятно продолжит сохранять положение, это станет еще более сильным аргументом в пользу устойчивого механизма его поддержания.
Если же оно начнет заметно перемещаться или исчезнет, это позволит оценить характер его жизненного цикла.
Необходимо уточнить геометрию системы
Особенно важной задачей остается определение ориентации оси вращения Бетельгейзе и орбиты предполагаемого компаньона.
Только после уточнения этих параметров можно будет проверить, действительно ли горячие области расположены около полюсов и имеет ли спутник какое-либо отношение к их устойчивости.
Пока наблюдаемая связь выглядит интересной, но не доказанной.
Бетельгейзе показала, насколько сложной может быть атмосфера красного сверхгиганта
Новые изображения Бетельгейзе демонстрируют звезду, совсем не похожую на спокойный светящийся шар. Ее внутренняя атмосфера имеет неровный контур, крупные неоднородности, горячие области и сложную структуру молекулярного газа.
Особенно примечательно, что самая яркая горячая область сохранялась практически на одном месте с 2015 по 2023 год. При этом окружающая газовая структура за тот же период существенно изменилась.
Такое сочетание устойчивых и быстро меняющихся элементов показывает, что атмосфера красного сверхгиганта управляется сразу несколькими физическими процессами.
Конвекция остается главным кандидатом на объяснение крупных атмосферных структур, а ударные процессы могут быть связаны с локальным нагревом газа. Возможное влияние близкого звездного компаньона представляет дополнительную гипотезу, которую еще предстоит проверить.
Пока новые данные не позволяют утверждать, что спутник управляет атмосферой Бетельгейзе или что обнаруженные горячие области непосредственно связаны с ее орбитой. Но сама возможность такой связи делает систему особенно интересной для дальнейших наблюдений.
Бетельгейзе остается одним из лучших природных объектов для изучения последних этапов жизни массивных звезд. Наблюдая за ее атмосферой, астрономы получают возможность исследовать процессы, которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях: гигантскую конвекцию, движение газа на огромных расстояниях, локальный нагрев и потерю звездного вещества.
И чем подробнее удается рассмотреть эту звезду, тем очевиднее становится, что перед нами не просто яркая красная точка в созвездии Ориона, а динамическая система, в которой внешняя атмосфера постоянно перестраивается под воздействием процессов, происходящих в ее глубинах.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
