O stea pe moarte?

Către sfârșitul anului trecut astronomii au anunțat că steaua Betelgeuse a scăzut dramatic în luminozitate. Imediat au apărut și comentarii în care se anunța sfârșitul iminent al stelei, care va deveni o supernovă, pe care o vom putea vedea chiar și în timpul zilei. Lucrurile nu sunt chiar atât de simple. Voi încerca să vă explic de ce.

Betelgeuse face parte din constelația Orion și este  a douăsprezecea cea mai strălucitoare stea de pe cerul nocturn.

Un pic de legendă

Nu am găsit o legendă a stelei, dar cred că merită să vă povestesc legenda constelației care o adăpostește. Voi rezuma textul din Legendele Olimpului de Alexandru Mitru, o carte pe care o citeam, o citesc și acum, cu mare bucurie, încă de pe vremea în care începeam să buchisesc abecedarul.

”Se zice c-a trăit pe vremuri alt vânător, pe nume Orion, feciorul unui rege, Hirieu. Feciorul regelui crescuse însă-nalt, atât de-nalt, că fruntea lui trecea de scama norilor, și de intra în valurile mării, să se scalde, în locul unde-i apa mai adâncă, pieptul îi rămânea afară.” Orion, vânător iscusit, primise de la Poseidon darul de a putea umbla peste ape ca și cum ar fi pășit pe pământ. A fost chemat de regele din Chios pentru a stârpi dihăniile care năpădiseră insula. Cu vitejie Orion curăță întreaga insulă de primejdioasele creaturi. Regele din Chios vrea să îl răsplătească și îi spune că îi va îndeplini orice dorință ar avea. ”În schimbul faptei sale, vânătorul ceruse pe fata regelui de soaţă. Dar regele — nevrând să-i dea copila — l-a îmbătat, prin viclenie, pe îndrăzneţul Orion şi, pe când el dormea adânc, i-a scos amândoi ochii cu cuţitul ascuns, din timp, sub haina lui regală.” Orbit, Orion se îndreptă către insula Lemnos, unde sălășluia Hefaistos, făurarul zeilor, pentru a îi cere ajutorul. Acesta îl sfătuiește ”pe Orion să şadă, în zorii fiecărei dimineţi, când se iveşte Eos — aurora — cu ochii către răsărit, și-o să se vindece cu vremea.” Așa a și făcut viteazul nostru și încet încet s-a lecuit de suferință. ”Atâta doară că, în vremea cât el căta spre răsărit ca să-și aştepte vindecarea, l-a tot zărit zeiţa Eos şi dânsa s-a îndrăgostit de prea-voinicul Orion.” Atât de îndrăgostită era zeița, încât la luat l-a dânsa în Olimp. Văzându-l, zeița vânătorii, Artemis, se îndrăgostește și ea de uriașul Orion. Zeii olimpieni au fost cuprinși de pizmă. Un simplu muritor să stârnească atâta pasiune printre zeițe? Așa ceva era de neacceptat. Apollo pune la cale un plan pentru a scăpa de Orion. Îi cere acestuia să plece grabnic la vânătoare. În timp ce Orion se îndepărta, Apollo se duce la Artemis și o întreabă dacă poate să își demonstreze dibăcia la trasul cu arcul. Zeița a acceptat iar Apollo i-a arătat un punct în depărtare. Vă dați seama, acesta era Orion. Zeița nu pregetă, își încordează arcul și slobozește săgeata ucigașă ”luându-i viața viteazului nostru. S-a auzit un răcnet groaznic şi Orion s-a prăbuşit. Marea s-a-mpurpurat de sânge şi-n slăvi a prins să se jelească Eos, cu voce ascuţită: ”Artemis, mi-ai ucis iubitul!…” Artemis, fără să-i răspundă, ”s-a avântat pe-un nor de aur. S-a repezit spre locul unde zăcea în valuri vânătorul şi l-a cuprins în braţe-ndrăgostită. Şi, copleşită de durere, i-a implorat lui Zeus învoirea să-l urce între constelaţii, pe dragul ei, pe Orion, ca să nu piară cu desăvîrşire, să poată ea să-l vadă, zilnic. Zeus, stăpînul, s-a-nvoit, văzând atâta întristare, şi l-a urcat pe vânător pe boltă. E constelaţia ce se numeşte, după legendă, Orion.”

Steaua Betelgeuse

Betelgeuse este o stea supergigantă roșie, cu masa estimată a fi undeva între 10 și 20 mase solare. Are un diametru estimat cuprins între 887 și 955 diametre solare (dacă s-ar afla în locul Soarelui, marginea lui Betelgeuse ar depăși orbita planetei Marte, apropiindu-se de cea a lui Jupiter) și se află la o distanță, tot estimată, cuprinsă între 640 și 724 ani lumină de noi.

Viața ei a început în urmă cu circa 10 milioane de ani în urmă. Ca și alte stele extrem de masive, imediat după declanșarea reacțiilor termonucleare în nucleul ei, ea a evoluat foarte rapid, ceea ce a dus la pierderea a 18 până la 20 mase solare din masa sa inițială. Betelgeuse a ”consumat” tot hidrogenul din nucleul său, ceea ce a dus la comprimarea puternică a acestuia, declanșându-se reacții de fuziune a heliului. În urmă cu circa 40.000 de ani, după ce s-a intrat în această fază a evoluției stelei, deoarece presiunea din interiorul ei a crescut foarte mult, straturile exterioare s-au ”umflat”, iar Betelgeuse a devenit o stea supergigantă, așa cum o vedem noi astăzi.

Vă mai pot spune că Betelgeuse este o stea variabilă semiregulată, adică are perioade multiple de variație a luminiozității. Perioada primară de variație a luminozității este de circa 425 de zile, dar mai prezintă și variații secundare cu perioade cuprinse între 100-180 de zile și 5,9 ani. Voi reveni mai încolo asupra luminozității lui Betelgeuse.

Viitorul stelei

Vă spuneam mai devreme că hidrogenul din nucleul lui Betelgeuse s-a epuizat în urma reacțiilor de fuziune nucleară, iar steaua a intrat într-o nouă fază. Deși în termeni cosmici Betelgeuse este o stea tânără, ea a ajuns la bătrânețe, îndreptându-se inexorabil către un sfârșit violent și spectaculos. Ea va deveni o Spernovă de tip II.

În cazul stelelor cu masă mai mică de patru mase solare, fuziunea nucleară din nucleu se va opri după ce va fi ”ars” întreg heliul din nucleu, rezultând carbon și oxigen. Pentru ca reacțiile de fuziune să meargă mai departe ar fi necesare temperaturi mai mari de 600 milioane de grade Kelvin. În cazul stelelor foarte masive, cum este și Betelgeuse, forțele gravitaționale implicate vor fi uriașe, iar nucleul se va comprima foarte mult, atingându-se temperaturile necesare pentru continuarea reacțiilor termonucleare din miezul său.

Reacțiile nucleare care demarează în această fază sunt foarte complexe și simultan vom avea mai multe tipuri de fuziune nucleară. Simplu spus, avem de-a face cu așa numitul proces alfa, prin care nuclee de heliu fuzionează cu alte nuclee, rezultând nuclee din ce în ce mai masive. Din momentul în care în nucleul stelei temperatura depășește 600 milioane de grade Kelvin începe fuziunea nucleelor de carbon cu cele de heliu rezultând nuclee de oxigen. La rândul lor nucleele de oxigen fuzionează cu cele de heliu, rezultând nuclee de neon și așa mai departe, rezultând nuclee din ce în ce mai grele. Din acest moment avem o nouă sursă de energie în interiorul nucleului stelei, care, temporar, restabilește echilibrul dintre gravitație și presiunea internă iar nucleul se stabilizează.

Această fază nu durează foarte mult, ci numai câteva sute de ani. În momentul în care energia rezultată din reacțiile termonucleare nu mai poate menține stabilitatea nucleului reîncepe procesul de comprimare și de creștere a temperaturii. În momentul în care temperatura atinge valoarea de un miliard de grade Kelvin, continuă reacțiile de ”ardere” a carbonului dar, în același timp, se intensifică reacțiile de ”ardere” a oxigenului și magneziului din nucleu. Și această fază este scurtă, durează doar circa un an.

Vă puteți imagina că urmează o nouă fază de contractare a nucleului însoțită de o creștere a temperaturii. În momentul în care temperatura atinge 1,5 miliarde de grade Kelvin, în urma reacțiilor de de fuziune, încep să fie produse nuclee de sulf. Atunci când temperatura atinge 2,7 miliarde de grade Kelvin încep să fie produse nuclee de fier. Practic, în fiecare etapă de evoluție a nucleului este ”arsă cenușa” rezultată din etapele anterioare.

Modelele teoretice pentru stelele care au o masă inițială cuprinsă între 20 și 25 mase solare (categorie în care se încadrează și Betelgeuse) ne arată o succesiune extrem de rapidă a acestor etape. Astfel etapa de ”ardere” a carbonului durează 600 de ani, cea a neonului doar un an. Apoi evenimentele se accelerează. Etapa ”arderii” oxigenului durează jumătate de an,  cea a siliciului numai o singură zi. Cu timpul, nucleul stelei se structurează sub forma unor straturi succesive, asemănătoare foilor de ceapă. Astfel, miezul nucleului va fi alcătuit din fier, următorul strat va fi alcătuit din siliciu, urmat, la rândul său, de unul din oxigen, urmat de unul din neon, unul din carbon și, în exterior, un strat din hidrogen.

Reacțiile nucleare se produc simultan în straturi diferite ale nucleului iar energia eliberată atât de rapid duce la ”umflarea” straturilor exterioare ale stelei. Ea devine o stea supergigantă.

Urmează alte schimbări în interiorul nucleului stelar, care ajunge să moară extrem de spectaculos. Sosește și momentul în care ”combustibilul” se epuizează iar energia produsă de reacțiile de fuziune nu mai poate ajuta la învingerea forței gravitaționale imense.

Voi detalia un pic această etapă. Vă reamintesc că în urma fuziunii nucleare rezultă o cantitate de energie mai mare decât cea a nucleelor care intră în reacție. Lucrul acesta este valabil pentru nuclee mai ușoare decât cele ale fierului. Fierul poate fuziona, dar absoarbe energie în timpul procesului, ceea ce duce la o scădere de temperatură. Practic, în centrul nucleului stelar, în zona în care avem fierul, reacțiile de fuziune încetează pentru totdeauna.

În momentul în care masa nucleului din fier atinge așa-numita limită lui Chandrasekhar, care este 1,4 mase solare, el va colapsa. În numai o secundă, diametrul lui lui va scădea de la câteva mii de kilometri la numai 100 km. După alte câteva secunde diametrul va scădea și mai mult, ajungând la 10 km. Energia eliberată pe parcursul acestui proces este egală cu cea generată de Soare timp de miliarde de ani. Se produce și un număr imens de neutrini și de fotoni gamma. Aceștia din urmă au o energie suficient de mare pentru a dezintegra nucleele de fier. Procesul poartă numele de fotodezintegrare. Comprimare continuă. După circa un sfert de secundă, o zonă centrală a nucleului stelar, cu masa cuprinsă între 0,6 și 0,8 mase solare, va ajunge la o densitate egală cu cea a unui nucleu atomic. Deja electronii nu mai pot rămâne pe orbitele lor și vor fi ”înghițiți” de protoni, care, la rândul lor, se vor transforma în neutroni. Practic, miezul nucleului stelar va deveni echivalentul unei stele neutronice. Este și momentul în care se produce o undă de presiune uriașă.

În același timp nucleul stelar se răcește, ceea ce duce la o scădere a presiunii în regiunile din imediata sa vecinătate. Materialul din aceste straturi va începe să cadă cu viteze de până la 15% din viteza luminii. Foarte rapid el se va întâlni cu unda de presiune, despre care vă vorbeam mai devreme, care se deplasează cu o șesime din viteza luminii. Această undă de presiune și-ar pierde mult din putere dacă ea nu ar fi ajutată de numărul imens de neutrini produși în timpul colapsării nucleului. În câteva ore unda de șoc ca ajunge la straturile exterioarele ale stelei. Cea mai mare parte a materialului stelar va fi împrăștiată în spațiu cu viteze de mii de kilometri pe secundă. Energia eliberată pe parcursul acestui eveniment este de 100 de ori mai mare decât energia produsă de Soare în ultimele 4,6 miliarde de ani… Se estimează că circa 96% din masa stelei este răspândită în spațiu…

Dar, mai înainte ca materia stelei să fie proiectată în spațiu, se mai întâmplă ceva spectaculos, ceva de care depinde însăși existența noastră. Vă spuneam că în nucleul stelelor masive se produc, prin reacții succesive de fuziune, nuclee cu masa cel mult egală cu cea a nucleului de fier. Pe timpul evenimentului numit supernovă crește puternic fluxul de neutroni. În momentul colapsării nucleului unei supernove se produc și cantități imense de energie. În asemenea condiții nucleele atomice absorb neutroni, devenind din ce în ce mai masive. Să ne uităm acum la un singur nucleu, din miezul unei supernove. La un anumit moment, unul dintre neutronii din săi se va transforma într-un proton plus un electron. Acesta din urmă este expulzat din nucleu. Tehnic vorbind, putem spune că s-a produs o dezintegrare beta minus. În urma acesteia, nucleul inițial se mută în căsuța alăturată din Tabelul periodic al elementelor. Noul nucleu poate să absoarbă în continuare neutroni și procesul se reia. De fiecare dată la sfârșitul lui, nucleul avansează cu o poziție în tabelul lui Mendeleev. Prin acest mecanism se produc elemente mai grele decât fierul, elemente fără de care viața, așa cum o cunoaștem noi, nu ar fi putut să apară. Cu adevărat, mulți dintre atomii din care suntem alcătuiți au fost ”fabricați” în timpul producerii unor supernove, în ultimele clipe de viață ale unor stele supergigante.

Pe timpul producerii supernovei asistăm la o creștere spectaculoasă a luminozității stelei, echivalentă cu lumina emisă de către o întreagă galaxie. Din acest motiv, atunci când Betelgeuse va deveni o supernovă, o vom putea vedea în plină zi. Luminozitatea va scădea treptat, într-o perioadă de câteva luni. Ea își va păstra timp de câțiva ani o luminozitate sporită, din cauza dezintegrării radioactive a nucleelor de cobalt și de nichel produse în timpul catastrofei stelare.

Betelgeuse va deveni o supernovă?

Scăderile de luminozitate ale stelei Betelgeuse sunt fenomene firești. Vă reamintesc că avem de-a face cu o stea variabilă semiregulată. Problema este alta. Primele observații fotometrice al luminozității stelei Betelgeuse au început în urmă cu mai bine de 50 de ani, iar de acum 25 de ani ea este supraveghetă continuu. În toată această perioadă niciodată nu a fost detectată o scădere atât de mare și de rapidă luminozității stelei, ca cea din decembrie 2019. Să fie asta un un indiciu că este pe cale să se producă o supernovă?

Răspunsul este negativ. Mai bine zis, încă nu putem ști când se va produce extraordinarul eveniment. Se poate produce și mâine, dar este puțin probabil. Nu uitați că ultimele procese de dinaintea producerii supernovei se desfășoară extrem de rapid. În stadiul actual al cunoașterii este practic imposibil să determinăm, numai studiind variațiile de luminozitate ale stelei, cât de aproape suntem de acel moment. Ar fi nevoie de o observare directă a nucleului stelei, lucru imposibil cu mijloacele de care dispun astrofizicienii în prezent. Estimările teoretice actuale, bazate pe modele fizico-matematice, arată că este posibil ca Betelgeuse să devină o supernovă în următorii 100.000 de ani.

Riscuri pentru pământeni?

Pe timpul evoluției unei supernove de tip II sunt eliberate cantități incredibile de energie, o parte semnificativă din ea fiind sub formă de radiații ucigătoare. În urmă cu mai mulți ani citeam pe la noi articole alarmante, care avertizau că moartea stelei despre care vă povestesc va avea drept consecință scăldarea Pământului într-o mare de radiații gamma, care vor pune într-un grav pericol viața terestră. De fapt răspunsul este altul. Steaua se află suficient de departe de noi pentru ca riscul să fie inexistent. Pentru ca această supernovă să ne afecteze ar trebui ca ea sa se afle la mai puțini 50 de ani lumină distanță de Sistemul Solar. Ne vom putea bucura în siguranță de acest spectacol cosmic.

Încheiere

Poate că nici unul dintre pământenii de astăzi nu va asista la ultimele clipe de viață ale stelei Betelgeuse. Dar, peste câteva decenii, vom putea asista la o supernovă, este drept nu la fel de spectculoasă ca moartea lui Betelgeuse. De curând o echipă de cercetători condusă de Bradley Schaefer, de la Universitatea Louisiana, a identificat un sistem binar, V Sagittae, aflat la o distanță de 7.800 de ani lumină distanță de noi, care este format dintr-o stea pitică albă și o stea cu masa egală cu 3,3 mase solare. Cele două stele se află pe orbită în jurul centrului comun de masă. Observațiile au arătat că cele două stele se apropie rapid una de alta. Analizând mișcările celor două stele, cercetătorii au stabilit că ele se vor ciocni în anul 2083. Se va produce o supernova de tip Ia. De pe Pământ o vom vedea cu ochiul liber, timp de câteva luni, ca pe un punct foarte luminos, probabil mai luminos decât Venus.

Vedeți? Universul este un adevărat spectacol. Are mare nevoie de noi, Universul. Noi avem puterea de a-l înțelege și, mai presus de toate, avem capacitatea de a-i admira frumusețea.