Beteigeuze: über 900 Mal so groß wie die Sonne – der Stern, der als Supernova explodieren wird

Beteigeuze: Die Schulter des Jägers

Allgemeine Eigenschaften

Beteigeuze, auch Alpha Orionis genannt, ist einer der massereichsten und leuchtkräftigsten Sterne, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Er befindet sich etwa 640 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Orion und markiert die linke Schulter des himmlischen Jägers. Dieser rote Überriese hat einen Radius von etwa dem 900‑fachen der Sonne und würde die Umlaufbahn des Mars problemlos umschließen, wenn er sich im Zentrum unseres Sonnensystems befände. Seine Masse, die auf 10 bis 20 Sonnenmassen geschätzt wird, ordnet ihn unter die Giganten ein, die ihr Leben in einem kataklysmischen Ereignis beenden werden: einer Supernova (Kernkollaps eines massereichen Sterns).

Beteigeuze: innere Struktur und Instabilitäten

Als roter Überriese des Spektraltyps M1-2 Ia hat Beteigeuze die Hauptreihe vor mehreren hunderttausend Jahren verlassen. Er hat den Wasserstoff in seinem Kern bereits aufgebraucht, wodurch die zentrale Proton-Proton-Fusion zum Erliegen kam. Die Schwerkraft kontrahierte daraufhin den Kern und erhöhte seine Temperatur, bis die Heliumfusion zu Kohlenstoff und Sauerstoff über den Dreifach-Alpha-Prozess einsetzte. Um diesen Helium brennenden Kern herum befinden sich konzentrische Schalen, in denen Fusionsreaktionen immer leichterer Elemente stattfinden, je weiter man sich vom Zentrum entfernt: Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff, dann Schalen mit restlichem Wasserstoff an der Peripherie. Diese Zwiebelschalenstruktur ist charakteristisch für massereiche Sterne in ihren späten Phasen.

Konvektive Phänomene und Pulsationen

Die extremen Temperaturgradienten zwischen diesen Schichten erzeugen konvektive Strömungen von großer Stärke, die nicht nur Energie, sondern auch schwere Elemente an die Oberfläche transportieren. Diese konvektiven Zellen, von kolossaler Größe (manchmal so groß wie ein Viertel des Sternradius), verursachen dynamische Schwankungen in der Photosphäre, die von der Erde aus als Unregelmäßigkeiten in der Helligkeit sichtbar sind. Darüber hinaus zeigt Beteigeuze halbregelmäßige Pulsationen aufgrund vorübergehender hydrostatischer Ungleichgewichte zwischen Strahlungsdruck und Schwerkraft, die zu Schwankungen des Radius und der effektiven Temperatur über Zeiträume von einigen hundert Tagen führen.

Beteigeuze: Eine seltsame stellare Verdunkelung

Das Great Dimming

Die spektakuläre Verdunkelung, die zwischen Ende 2019 und Anfang 2020 beobachtet wurde und als Great Dimming bezeichnet wird, hat die Komplexität der atmosphärischen Phänomene in diesen Überriesen verdeutlicht. Zwei Haupterklärungen wurden vorgebracht: einerseits ein lokaler Temperaturabfall im Zusammenhang mit extremer Konvektion oder einer internen Schockwelle, die die effektive Temperatur der Photosphäre vorübergehend veränderte; andererseits die Ausstoßung einer dichten, staubigen Gaswolke, die bei Kondensation zu Silikaten bei niedriger Temperatur einen Teil der Sternscheibe vorübergehend durch Absorption von sichtbarem Licht verdunkelte. Diese letztere Hypothese wird durch Infrarot- und polarimetrische Beobachtungen gestützt, die eine sich bildende Staubwolke in der Nähe der Sichtlinie enthüllten.

Ursachen und Interpretationen

Dieses erratische Verhalten ist typisch für Sterne, die dem gravitativen Kollaps nahe sind. Mit einer anfänglichen Masse, die auf 15 bis 20 Sonnenmassen geschätzt wird, ist Beteigeuze dazu bestimmt, sein Leben als Supernova vom Typ II zu beenden, vielleicht in den nächsten 100.000 Jahren. Die Überwachung seiner Helligkeitsschwankungen bietet uns daher ein einzigartiges Fenster zu den Endphasen der Entwicklung massereicher Sterne, in einer Phase, in der die Plasmaphysik, die Dynamik der Fusionsschalen und Strahlungsinstabilitäten zusammenwirken, um spektakuläre und noch unvollständig verstandene Phänomene zu erzeugen.

Beteigeuze: Ein explosives Schicksal als Supernova

Supernova-Szenario

Beteigeuzes Schicksal ist besiegelt: Wenn sich in seinem Kern Eisen ansammelt, das keine weitere exotherme Fusion mehr ermöglicht, wird der Gravitationsdruck überhandnehmen. In einem Bruchteil einer Sekunde kollabiert der Kern und erzeugt eine Schockwelle, die die äußeren Schichten in eine Supernova vom Typ II zertrümmert. Diese Explosion wird so viel Energie freisetzen wie eine ganze Galaxie über mehrere Tage. Sollte sie in den nächsten Jahrtausenden stattfinden, wäre das Ereignis sogar am Tag von der Erde aus sichtbar, ohne jedoch Gefahr darzustellen, da Beteigeuze zu weit entfernt ist, als dass die Strahlung unsere Biosphäre nennenswert beeinträchtigen könnte.

Beteigeuze: Ein Fenster zu den letzten Sternenhauchen

Beobachtungen und Modellierungen

Die Untersuchung von Beteigeuze hilft uns, die Endphasen massereicher Sterne besser zu verstehen. Dank der Interferometrie, Infrarotbeobachtungen und hydrodynamischer Modellierungen erforschen Astrophysiker das Innere dieses Roten Riesen und seine konvektiven, pulsations- und massenverlustbedingten Phänomene. Beteigeuze lehrt uns, dass selbst die scheinbar stabilsten Sterne kolossalen inneren Dynamiken unterliegen, die eine gewaltsame, aber auch formative Transformation ankündigen, denn Supernovae reichern das interstellare Medium mit schweren Elementen an – den Zutaten für das Leben.

Berechnung des Radius von Beteigeuze durch Interferometrie

Eine der direktesten Methoden zur Bestimmung des physikalischen Radius eines nahen Sterns wie Beteigeuze beruht auf der optischen Interferometrie. Diese Technik ermöglicht die Messung des Winkeldurchmessers des Sterns, d.h. des Winkels, unter dem sein Durchmesser von der Erde aus gesehen wird. Durch Kombination dieser Angabe mit der Entfernung des Sterns erhält man eine Schätzung seines tatsächlichen Radius mittels reiner trigonometrischer Geometrie.

Verwendete Formel

Der Radius R des Sterns ergibt sich aus der Beziehung:

R = (d × θ) / 2

• d ist die Entfernung zum Stern (in Metern),
• θ ist der scheinbare Winkeldurchmesser des Sterns (im Bogenmaß).

Beobachtungsdaten für Beteigeuze

• Entfernung d ≈ 197 pc = 6,07 × 10¹⁸ m (Messung von Gaia DR3)
• Winkeldurchmesser θ ≈ 42 mas = 2,04 × 10⁻⁷ rad (ermittelt durch optische Interferometrie)

Berechnung des Radius von Beteigeuze

R = (6,07 × 10¹⁸ m × 2,04 × 10⁻⁷) / 2 ≈ 6,2 × 10¹¹ m

Dieser Radius entspricht ungefähr:

R / R_☉ ≈ (6,2 × 10¹¹) / (6,96 × 10⁸) ≈ 891 R☉

Die interferometrische Analyse ergibt einen Radius von Beteigeuze von etwa dem 890‑fachen der Sonne. Dieser Wert, der mit anderen indirekten Methoden sehr gut übereinstimmt, bestätigt den Status des Roten Überriesen für diesen Stern, dessen Durchmesser mit der Umlaufbahn des Jupiter im Sonnensystem vergleichbar ist.

Vergleichsgrößen einiger riesiger und überriesiger Sterne

Vergleich der Sterngrößen

Unsere Sonne ist im Vergleich zu einigen Sternen wirklich sehr klein. Die Planeten sind nur Staub im Vergleich zu den blauen und roten Riesen unseres Universums. In diesem YouTube-Video werden die relativen Größen von Planeten und Sternen vom kleinsten zum größten präsentiert. Das Video zeigt zuerst unseren Mond, die Planeten unseres Sonnensystems nach zunehmender Größe geordnet, dann die Sonne. Danach ziehen die größten Sterne unserer Galaxie vorbei. Ihre ungefähren Größen wurden aus ihren Leuchtkräften, Temperaturen (abgeleitet aus ihren Farben) und Entfernungen berechnet.