Tak wygląda Antares - najlepsze zdjęcie gwiazdy innej niż Słońce

Ostatnio podczas spaceru usłyszałem rodzica, który wyjaśniał dziecku dlaczego na niebie za dnia nie widać gwiazd. Tłumaczenie „bo słonko za jasno świeci” na tym etapie rozwoju może wystarczy, ale mam nadzieję, że kilkulatek w przyszłości dowie się, że i Słońce jest gwiazdą. Szczególną gwiazdą, którą mamy okazję dokładnie badać i fotografować. Tymczasem inne gwiazdy w Galaktyce są tak bardzo odległe, że przez wiele lat nawet dla astronoma były jedynie rozmytymi kropkami. 

Rozwój technologii pozwolił w końcu ukazać tarcze niektórych gwiazd innych niż Słońce w postaci większej grupy pikseli, która pozwala cokolwiek powiedzieć o wyglądzie ich powierzchni. Od tej pory astronomowie starają się uzyskać jak najlepsze obrazy, choć niewiele gwiazd jest na tyle dużych, by dać nam szansę na powodzenie. Jedną z nich jest Antares, nadolbrzym (bardzo masywna gwiazda w późnym stadium ewolucji) z gwiazdozbioru Skorpiona.

Antares na wieczornym niebie w Polsce z początkiem września (towarzyszy mu obecnie Saturn, po lewej stronie wyżej nad horyzontem) Źródło: Stellarium

W lecie możemy go zobaczyć w Polsce nisko nad południowym horyzontem jako mocno czerwoną gwiazdę. Inną gwiazdą o podobnym kolorze jest Arktur z gwiazdozbioru Wolarza. Tego łatwiej dostrzec na niebie, bo świeci nocą dużo wyżej. W lecie należy go szukać jako czerwonej kropki na zachodnim niebie. Zimą na wieczornym niebie królują takie gwiazdy jak Betelgeza, Rigel czy Aldebaran. Są to gwiazdy o sporych rozmiarach kątowych i dlatego można próbować uchwycić ich powierzchnię na zdjęciach (w przypadku Betelgezy taki obraz uzyskano za pomocą sieci radioteleskopów ALMA).

Najjaśniejszy zimową nocą Syriusz nie jest tak duży, a jasność zawdzięcza stosunkowo niewielkiej odległości (8,6 roku świetlnego).

Najlepsze zdjęcie gwiazdy, która nie jest Słońcem

Antares znajduje się w odległości około 550 lat świetlnych. I to właśnie w jego przypadku udało się niedawno uzyskać najlepsze zdjęcie powierzchni gwiazdy. Wykorzystano do tego interferometr VLTI w obserwatorium ESO na górze Paranal w Chile. Z instrumentem AMBER (Astronomical Multi-BEam combineR) połączono w tym przypadku trzy 1,8 metrowe teleskopy pomocnicze.

VLTI może łączyć sygnał z maksymalnie 4 teleskopów, mogą to być teleskopy pomocnicze (widoczne w kulistych kopułach) lub duże teleskopy VLT

Najlepszy obraz uzyskano za pomocą techniki interferometrii w podczerwieni (w najlepszym przypadku można uzyskać odpowiednik pojedynczego teleskopu o średnicy aż 200 metrów). Właśnie tak z daleka wygląda Antares (poniżej).

Puszczając wodze fantazji, i nie tylko niej, bo astronomowie potrafią dobrze wnioskować nawet dysponując skąpymi informacjami, powierzchnię Antaresa można wyobrazić sobie w następujący sposób.

Antares - kilka słów o gwieździe

Antares ma 12 razy większą masę niż Słońce, a jego średnica jest około 700 razy większa. Słońce nie urośnie do takich rozmiarów, bo już na samym początku miało dużo mniejszą masę. Antares gdyby umieścić go w Układzie Słonecznym „pochłonąłby” cały pas planetoid wraz z największą z nich Ceres. Nie mówiąc już, że tak masywna gwiazda żyje bardzo krótko w porównaniu ze Słońcem. Wiek Antaresa to jedynie 12 milionów lat, a już jest on w stadium schyłkowym istnienia jako zwykła gwiazda. Nasze Słońce istnieje od 5 miliardów lat i co najmniej drugie tyle przetrwa w podobnej postaci nim stanie się olbrzymem.

Antares to nadolbrzym, a jego przeznaczeniem jest prawdopodobnie gwiazda neutronowa lub czarna dziura, która powstanie w wybuchu supernowej. Świecąc emituje kilkadziesiąt tysięcy razy więcej energii niż nasze Słońce.

Zwróciliście zapewne uwagę, że średnia gęstość Antaresa jest dużo mniejsza niż dzisiejszego Słońca. Co to oznacza? Spora część jego masy skupiona jest blisko centrum gdzie nadal zachodzą reakcje jądrowe. Na obecnym etapie w Antaresie nie jest już spalany wodór, ale cięższe pierwiastki. Zewnętrzna strefa gwiazdy to bardzo rozdęta otoczka o niewielkiej gęstości (dla człowieka wydałaby się mniej gęsta niż mgła). Kilka lat temu zaobserwowano również chmury pyłowe wokół Antaresa, a ich pochodzenie ma związek z utratą dużej ilości masy przez tego typu gwiazdy.

Warstwa, z której promieniowanie świetlne dociera do nas niezakłócone procesami wewnątrz gwiazdy, ma temperaturę 3593 stopni C. Mniej niż powierzchnia Słońca (tutaj mamy 5500 stopni C), jednak w wnętrzu Antaresa panuje jeszcze większy żar i gęstość. Żar to dobre określenie gdyż procesy spalania w gwiazdach nie są tak gwałtowne jak podczas pożaru. Za to wiążą się z wyzwalaniem ogromnych ilości energii.

Duży rozmiar warstwy, którą obserwujemy w przypadku Antaresa jako powierzchnię w połączeniu z jej dość niską temperaturą sprawia, że widzimy tę gwiazdę jako pomarańczowo-czerwoną. Wspomniany Syriusz ma temperaturę „powierzchni” około 9600 stopni C, a bardzo masywny Rigiel jeszcze większą (około 12000 stopni C) i dlatego widzimy je jako biało-niebieskawe.

Dla astronomów zdjęcie było etapem pośrednim

Jeśli myślicie, że omawiane w tym tekście zdjęcie astronomowie wykonali ze zwykłej nudy, tylko dlatego że mają do dyspozycji sprzęt, to jesteście w błędzie. Fotografia (dokładnie rzecz biorąc wiele fotografii) choć bardzo cenna powstała jako część projektu, który ma pomóc określić jaki proces fizyczny odpowiada za utratę masy przez czerwone superolbrzymy (taką gwiazdą jest Antares, który w ciągu swojego krótkiego przecież życia utracił już aż 3 masy Słońca).

Pytanie "W jaki sposób?", które postawił sobie zespół astronomów kierowany przez Keiichi Ohnakę dla laika jest może mało istotne, ale to właśnie szukając odpowiedzi na tę zagadkę, udało się stworzyć najlepsze jak dotąd zdjęcie powierzchni gwiazdy innej niż Słońce.

Astronomom zależało nie tyle na zdjęciach, co na stworzeniu na ich podstawie mapy względnych prędkości gazu atmosferycznego na powierzchni Antaresa. Dotychczas było to możliwe tylko dla Słońca.

Dla astronomów istotny jest taki kolorowy obrazek (kolory symbolizują różne prędkości materii)

Wniosek jaki uzyskano dzięki tym obserwacjom skazuje niestety naukowców na dalsze poszukiwania. Wcześniej postulowane zjawisko konwekcji (turbulentnych ruchów, które transportują ciepło) jako czynnika wpływającego na szybką utratę masy okazuje się niewystarczającym wytłumaczeniem.

I jeszcze jedno - Antares nie jest największy

Antares to najlepiej zobrazowany nadolbrzym, a mimo to nie największa rozmiarami gwiazda jaka znana jest astronomii. Obecnie miano to dzierży gwiazda o nazwie UV Scuti, której średnica jest około 1700 razy większa niż Słońca. Znajduje się ona o 9000 lat świetlnych dalej niż Antares. Wspomniana Betelgeza ma około 1200 promieni Słońca, Rigel to tylko 70 promieni, a Arktur jedynie 25 promieni Słońca. Różne odległości od Układu Słonecznego, różne temperatury powierzchniowe, różne stadia ewolucji jak i inne przeznaczenie sprawiają, że na naszym niebie jawią się jako podobnie jasne gwiazdy.

Źródło: ESO, inf. własna