Beteigeuze: Riesenstern am Rande des Chaos im Orion

Beteigeuze: Schulter des Jägers

Beteigeuze, auch genanntAlpha Orionis, ist einer der massereichsten und leuchtendsten Sterne, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Es befindet sich etwa 640 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Orion und markiert die linke Schulter des Himmelsjägers. Dieser Rote Überriese hat einen Radius, der etwa 900-mal so groß ist wie der der Sonne, und würde problemlos die Umlaufbahn des Mars umfassen, wenn er sich im Zentrum unseres Sonnensystems befände. Aufgrund seiner Masse, die auf 10 bis 20 Sonnenmassen geschätzt wird, gehört er zu den Riesen, die ihr Leben in einem katastrophalen Ereignis beenden werden: einer Supernova.

Beteigeuze: Innere Struktur und Instabilitäten

Beteigeuze: Eine seltsame stellare Verdunkelung

Als Roter Überriese der Spektralklasse M1-2 Ia verließ Beteigeuze vor mehreren hunderttausend Jahren die Hauptreihe. Der Wasserstoff in seinem Kern ist bereits erschöpft, wodurch die zentrale Proton-Proton-Fusion zum Stillstand kommt. Die Schwerkraft zog dann den Kern zusammen und erhöhte seine Temperatur, bis die Fusion von Helium zu Kohlenstoff und Sauerstoff durch Triple-Alpha eingeleitet wurde. Um diesen geschmolzenen Heliumkern herum befinden sich konzentrische Schichten, in denen abseits des Zentrums zunehmend leichtere Fusionsreaktionen stattfinden: Kohlenstoff, Neon, Sauerstoff und dann Schichten aus restlichem Wasserstoff an der Peripherie. Diese Zwiebelschalenstruktur ist charakteristisch für massereiche Sterne am Ende ihres Lebens.

Die zwischen diesen Schichten erzeugten extremen Wärmegradienten verursachen sehr starke Konvektionsströme, die nicht nur Energie, sondern auch schwere Elemente zur Oberfläche transportieren. Diese Konvektionszellen von kolossaler Größe (manchmal entsprechend einem Viertel des Sternradius) induzieren dynamische Schwankungen in der Photosphäre, die von der Erde aus in Form von Unregelmäßigkeiten der Leuchtkraft sichtbar sind. Darüber hinaus weist Beteigeuze aufgrund vorübergehender hydrostatischer Ungleichgewichte zwischen Strahlungsdruck und Schwerkraft halbregelmäßige Pulsationen auf, die über Zeiträume von einigen hundert Tagen zu Schwankungen des effektiven Radius und der Temperatur führen.

Die spektakuläre Verdunkelung, die zwischen Ende 2019 und Anfang 2020 beobachtet wurde, heißtTolles Dimmen, verdeutlichte die Komplexität der atmosphärischen Phänomene dieser Überriesen. Zwei Haupterklärungen wurden vorgebracht: Einerseits ein lokaler Temperaturabfall im Zusammenhang mit extremer Konvektion oder einer internen Schockwelle, der die effektive Temperatur der Photosphäre vorübergehend verändert hat; Andererseits wurde eine Wolke aus dichtem und staubigem Gas ausgestoßen, das bei niedriger Temperatur zu Silikaten kondensierte und vorübergehend einen Teil der Sternscheibe verdeckte, indem es sichtbares Licht absorbierte. Diese letztere Hypothese wird durch Infrarot- und Polarisationsbeobachtungen gestützt, die eine Staubwolke zeigten, die sich nahe der Sichtlinie bildete.

Dieses unregelmäßige Verhalten ist typisch für Sterne, die kurz vor dem Gravitationskollaps stehen. Mit einer geschätzten Anfangsmasse zwischen 15 und 20 Sonnenmassen ist Beteigeuze dazu bestimmt, ihr Leben als Supernova vom Typ II zu beenden, vielleicht innerhalb der nächsten 100.000 Jahre. Die Beobachtung seiner Leuchtkraftschwankungen bietet uns daher einen einzigartigen Einblick in die Endstadien der Entwicklung massereicher Sterne, in einer Phase, in der die Plasmaphysik, die Dynamik geschmolzener Schichten und Strahlungsinstabilitäten zusammenwirken, um spektakuläre und immer noch unvollständig verstandene Phänomene hervorzubringen.

Beteigeuze: Ein explosives Supernova-Schicksal

Das Schicksal von Beteigeuze ist besiegelt: Wenn sich Eisen in seinem Herzen ansammelt und keine exotherme Fusion mehr zulässt, übernimmt der Gravitationsdruck. Im Bruchteil einer Sekunde kollabiert der Kern und erzeugt eine Schockwelle, die die äußeren Schichten in einer Supernova vom Typ II pulverisiert. Diese Explosion wird mehrere Tage lang so viel Energie freisetzen wie eine ganze Galaxie. Sollte es in den nächsten Jahrtausenden auftreten, wäre das Ereignis sogar am helllichten Tag von der Erde aus sichtbar, ohne jedoch eine Gefahr darzustellen, da Beteigeuze zu weit entfernt ist, als dass die Strahlung unsere Biosphäre in nennenswertem Umfang erreichen könnte.

Beteigeuze: Ein Fenster zu den letzten Atemzügen der Sterne

Beteigeuze-Konvektionen

Die Untersuchung von Beteigeuze ermöglicht es uns, die Endphasen massereicher Sterne besser zu verstehen. Mithilfe von Interferometrie, Infrarotbeobachtungen und hydrodynamischer Modellierung erforschen Astrophysiker das Innere dieses Roten Riesen und seine Konvektions-, Pulsations- und Massenverlustphänomene. Beteigeuze lehrt uns, dass selbst die scheinbar stabilsten Sterne einer kolossalen inneren Dynamik unterliegen, die eine heftige, aber auch prägende Transformation ankündigt, da Supernovae die interstellare Umgebung mit schweren Elementen, den Bestandteilen des Lebens, anreichern.

Berechnung des Beteigeuze-Radius durch Interferometrie

Eine der direktesten Methoden zur Schätzung des physikalischen Radius eines nahegelegenen Sterns wie Beteigeuze beruht auf der optischen Interferometrie. Diese Technik ermöglicht die Messung des Winkeldurchmessers des Sterns, also des Winkels, in dem sein Durchmesser von der Erde aus gesehen wird. Durch die Kombination dieser Daten mit der Entfernung des Sterns erhalten wir eine Schätzung seines tatsächlichen Radius nach einer rein trigonometrischen Geometrie.

Verwendete Formel

Der Radius R des Sterns ergibt sich aus der Beziehung:

R = (d × θ) / 2

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

Beobachtungsdaten für Beteigeuze

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

Berechnung des Beteigeuze-Radius

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

Dieser Radius entspricht ungefähr:

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

Die interferometrische Analyse beziffert den Radius von Beteigeuze auf ungefähr890-mal so groß wie die Sonne. Dieser Wert, der sehr gut mit anderen indirekten Methoden übereinstimmt, bestätigt den Status eines roten Überriesen dieses Sterns, dessen Durchmesser mit der Umlaufbahn des Jupiter im Sonnensystem vergleichbar ist.

Vergleichsgrößen einiger Riesen- und Überriesensterne

Unsere Sonne ist im Vergleich zu manchen Sternen wirklich sehr klein. Im Vergleich zu den blauen und roten Riesen unseres Universums sind die Planeten nur Staub. In diesem YouTube-Video werden die relativen Größen von Planeten und Sternen vom kleinsten zum größten dargestellt. Das Video zeigt zunächst unseren Mond, die Planeten unseres Sonnensystems in aufsteigender Reihenfolge geordnet, dann die Sonne. Als nächstes werden die größten Sterne unserer Galaxie paradieren. Ihre ungefähren Größen wurden aus ihrer Leuchtkraft, ihren Temperaturen, ihren Farben und ihren Entfernungen berechnet.