Auf Seite 23 des ersten Bandes eines populären Buches von 1923 mit dem Titel Hutchinson’s Splendor of the Heavens erscheint eine kuriose Zeichnung. Zu sehen sind ein Junge, der mit einer Schrotflinte schießt, und ein älterer Mann, der in die entgegengesetzte Richtung blickt und von der Kugel getroffen wird, nachdem sie den gesamten Umfang von Betelgeuse durchquert hat. Die Bildunterschrift besagt, dass wenn ein 14-Jähriger eine Schrotflinte abfeuern würde, er warten müsste, bis er 70 Jahre alt ist, bis die abgefeuerte Kugel einen vollen Kreis um den Stern vollendet hat.
Abgesehen von der Seltsamkeit der Situation – ein sehr geduldiges Warten von 56 Jahren, um den längsten Selbstmordversuch zu vollenden, der je unternommen wurde – führt uns die Zeichnung dazu, über die Unermesslichkeit von Betelgeuse nachzudenken. Im zweiten Band desselben Werkes erscheint eine Skizze, die einige berühmte Rote Riesen und Überriesen vergleicht und sie als konzentrische Kreise vorstellt. Nach dem damaligen Wissen war Antares der größte Stern von allen, und Betelgeuse kam an zweiter Stelle.
Wie auch immer, die wirklich interessanten Informationen finden sich in der Bildunterschrift der Zeichnung:
Durch eine wunderbare Adaption des Prinzips der Lichtinterferenz ist es den Astronomen am Mount Wilson Observatorium in Kalifornien gelungen, die Winkeldurchmesser einiger Riesensterne zu messen. Da die Entfernungen ungefähr bekannt sind, können ihre wahren Durchmesser berechnet werden.
Der zitierte Text bezieht sich auf ein berühmtes Experiment von Albert A. Michelson und Francis G. Pease aus dem Jahr 1920, also genau vor einem Jahrhundert, bei dem erstmals ein Interferometer zur Messung des Winkeldurchmessers eines Sterns eingesetzt wurde. Michelson und Pease wählten Betelgeuse für ihr Experiment, und das war der erste Schritt zu einer wirklich zuverlässigen Bestimmung seiner Größe.
Michelson und Peases Experiment und der Winkeldurchmesser von Betelgeuse
Im Wesentlichen ist ein Interferometer ein Gerät, das durch ein System von Spiegeln verschiedene Bilder desselben Objekts erzeugt und diese dann überlagert. Die Überlappung erzeugt aufgrund der wellenförmigen Natur des Lichts die sogenannten Interferenzstreifen. Das Vorhandensein solcher Streifen steht im Zusammenhang mit der Wellenlänge des Lichts und der von ihm zurückgelegten Strecke. Anhand dieser Daten ist es möglich, den Winkeldurchmesser des beobachteten Objekts genau zu bestimmen. Wenn man den Winkeldurchmesser kennt, kann man, wenn man auch die Entfernung des Sterns (in unserem Fall Beteigeuze) kennt, leicht seinen linearen Durchmesser ermitteln.
Eine natürliche Frage stellt sich, wenn man über dieses Experiment nachdenkt: Warum brauchten Michelson und Pease ein Interferometer? Waren die typischen Kapazitäten des 2,5-Meter-Hooker-Teleskops des Mount-Wilson-Observatoriums nicht ausreichend, um die Betelgeuse-Scheibe direkt zu erkennen und ihren Winkeldurchmesser zu berechnen? Leider nein, sie waren nicht ausreichend. Tatsache ist, dass die Sterne – alle Sterne außer der Sonne – so weit von der Erde entfernt sind, dass, insbesondere zur Zeit von Michelson und Pease, selbst das größte irdische Teleskop sie nicht mehr als helle Flecken zeigen konnte, die durch den Durchgang des Lichts durch die Turbulenzen der Atmosphäre verschwommen waren. So wurde die Interferometrie mit ihrer Fähigkeit, die im Licht enthaltene Information durch geschickte Ausnutzung des Phänomens der Interferenz zu vervielfachen, zu einem unverzichtbaren Werkzeug, um die Auflösung zu erreichen, die für die Messung des Winkels erforderlich ist, den die Scheibe anderer Sterne als der Sonne einnimmt. Betelgeuse war nur der erste von vielen.
Aber zu welchen Schlussfolgerungen kamen die beiden Wissenschaftler, nachdem sie den roten Überriesen mit dem Interferometer beobachtet hatten? Wir können sie am Ende des Artikels nachlesen, den sie 1921 veröffentlichten:
Angenommen, die effektive Wellenlänge für einen Orionis beträgt λ 5750, so erweist sich sein Winkeldurchmesser aus der Formel α = 1,22 λ/b als 0″,047; und bei einer Parallaxe von 0″,018 ergibt sich sein linearer Durchmesser von 240×10⁶ Meilen, also etwas weniger als der der Marsbahn. Dieser Wert entspricht einer gleichmäßig beleuchteten Scheibe, während für eine am Rande abgedunkelte dieses Ergebnis (…) um etwa 17 Prozent erhöht würde. Die Unsicherheit der Messung des Winkeldurchmessers beträgt etwa 10 Prozent.
Mit dem Interferometer von Michelson und Pease beobachtet, wies die Scheibe von Alpha Orionis, d.h., Beteigeuze, einen Winkel von 47 mas (Tausendstel Bogensekunden), dem – bei einem Parallaxenwinkel von 18 mas – ein linearer Durchmesser von 240 Millionen Meilen, also 386 Millionen Kilometern, mit einer Unsicherheit von 10 Prozent entspricht. Berücksichtigt man die Randverdunkelung und erhöht damit den gefundenen Wert um 17 Prozent, so stieg der Durchmesser auf 452 Millionen Kilometer, was fast dem 325-fachen des Sonnendurchmessers entspricht.
Im Nachhinein können wir sagen, dass Michelson und Pease die tatsächliche Größe von Beteigeuze deutlich unterschätzt haben, denn der von ihnen angenommene Parallaxenwinkel von 18 mas war wesentlich größer als der, den wir heute als genauer ansehen. Aus diesem Winkel ergibt sich eine Entfernung von 55 Parsec, das sind gerade einmal 181 Lichtjahre. Das ist eine viermal kürzere Entfernung als die heute als zuverlässiger angesehene Entfernung von 724 Lichtjahren (eine Entfernung, die mit viel fortschrittlicheren Technologien ermittelt wurde, als sie zur Zeit von Michelson und Pease zur Verfügung standen). Wenn wir die Berechnung auf der Grundlage dieser neuen Entfernung wiederholen, erhalten wir für einen Winkeldurchmesser von 47 mas einen linearen Durchmesser von 1,56 Milliarden km. Und wenn wir weitere 17 % hinzufügen, um die Randverdunkelung zu berücksichtigen, erreichen wir 1,83 Milliarden km – ein wahrhaft kolossaler Durchmesser, der mehr als 1.300 Sonnendurchmessern entspricht!
Wenn dies also der Durchmesser von Betelgeuse vor einem Jahrhundert war, ist es interessant, ihn mit dem Durchmesser zu vergleichen, der sich aus den neuesten interferometrischen Studien ergibt. Obwohl ein Jahrhundert im Leben eines Sterns praktisch nichts ist, ist Betelgeuse ein eigenartiger Stern, der Pulsationszyklen unterworfen ist, die seine Größe sehr schnell variieren lassen.
Ein schrumpfender Überriese
Eindrückliche Beweise für diese Größenvariabilität liefert eine mehrjährige Studie eines Forscherteams der University of California in Berkeley, das die ISI-Teleskope (Infrared Spatial Interferometer), die auf dem Gipfel des Mount Wilson in Südkalifornien installiert sind, nutzte, um die Größenschwankungen von Betelgeuse zu beobachten. Das Forschungsteam, das seine Beobachtungskampagne 1993 begann und fünfzehn Jahre lang durchführte, wurde von Charles H. Townes geleitet, der 1964 den Nobelpreis für Physik für seine grundlegenden Studien zur Quantenelektronik erhielt, die zur Entwicklung des Lasers und des Masers führten.
Was diese Forscher entdeckten, ist ziemlich überraschend, wie man verstehen kann, wenn man die folgende Erklärung liest, die Townes zur Unterstützung der 2009 veröffentlichten Studie lieferte, die die wissenschaftlichen Ergebnisse ihrer Beobachtungen vorstellte:
Wir beobachten um 11 Mikrometer, dem mittleren Infrarot, wo diese lange Wellenlänge den Staub durchdringt und die schmale Bandbreite jegliche Spektrallinien vermeidet, und so sehen wir den Stern relativ unverzerrt. Wir hatten auch das Glück, ein Instrument zu haben, das seit etwa 15 Jahren in ähnlicher Weise arbeitet und eine lange und konsistente Messreihe liefert, die sonst niemand hat. Die ersten Messungen zeigten eine Größe, die ziemlich nahe an Michelsons Ergebnis lag, aber im Laufe von 15 Jahren hat sich die Größe um etwa 15 Prozent verringert, wobei sich die Veränderungen gleichmäßig, aber im Laufe der Jahre schneller vollzogen.
Daher hat sich der Durchmesser des Überriesen im Laufe der Jahre immer weiter verringert, bis er insgesamt etwa 15 Prozent der 1920 von Michelson und Pease gemessenen Größe verlor. Eine weitere kuriose Tatsache ist, dass in denselben Jahren, in denen der Durchmesser abnahm, die Helligkeit von Betelgeuse stattdessen fast stabil blieb. Wenn der Stern geschrumpft ist, muss sich seine Strahlungsfläche im gleichen Maße verringert haben. Wie hätte die Helligkeit gleich bleiben können?
Eine Möglichkeit ist, dass die vom Townes-Team aufgezeichnete Abnahme des Betelgeuse-Durchmessers nicht gleichmäßig, sondern asymmetrisch war, wahrscheinlich eine Folge der gigantischen konvektiven Bewegungen, die die Oberflächenschichten des Sterns betreffen. In diesem Zusammenhang veröffentlichte derselbe Townes zusammen mit anderen Autoren 2007 eine Arbeit, die das Vorhandensein einer eindeutigen Asymmetrie in der Betelgeuse-Kontur beschrieb, die genau aus den Beobachtungen mit dem ISI-Interferometer gewonnen wurde.
Edward Wishnow, einer der Wissenschaftler, die mit Townes an der Beobachtungskampagne teilgenommen hatten, konnte nicht umhin zu bemerken, wie groß die Menge der Dinge ist, die wir immer noch über die Sternphysik ignorieren:
Aber wir wissen nicht, warum der Stern schrumpft. In Anbetracht all dessen, was wir über Galaxien und das ferne Universum wissen, gibt es immer noch eine Menge Dinge, die wir über Sterne nicht wissen, einschließlich dessen, was passiert, wenn sich Rote Riesen dem Ende ihres Lebens nähern.
Es sollte beachtet werden, dass der Winkeldurchmesser eines Sterns nicht nur in Abhängigkeit davon variiert, wie stark er sich tatsächlich ausdehnt oder zusammenzieht, sondern auch in Abhängigkeit von der Wellenlänge, auf die interferometrische Beobachtungen zentriert sind. Was wir im sichtbaren Licht beobachten können, unterscheidet sich von dem, was wir im Ultraviolett oder im nahen und mittleren Infrarot beobachten können. Jeder Wellenlängenbereich tastet eine andere Schicht der Sternmaterie ab, von der Photosphäre bis in die äußersten Bereiche der Atmosphäre. Letztendlich ändert sich dadurch der Durchmesser, den man erhält.
Das ist jedoch bei den Beobachtungen, die zwischen 1993 und 2008 vom Townes-Team gemacht wurden, nicht der Fall. Wie in der oben zitierten Passage erwähnt, wurde Betelgeuse in allen fünfzehn Jahren mit dem gleichen Instrument und bei der gleichen Wellenlänge beobachtet. Daher muss die gemessene Schrumpfung als real angesehen werden. Unter der Annahme, dass es sich um ein einheitliches Phänomen handelte, das die gesamte Sternoberfläche in gleicher Weise betraf, ging der physikalische Durchmesser von Betelgeuse in diesen fünfzehn Jahren von 1,86 auf 1,59 Milliarden km zurück.
Betelgeuse wird natürlich weiterhin genau beobachtet. Beobachtungen mit verschiedenen Interferometern in den letzten zwei Jahrzehnten zeigen, dass der Winkeldurchmesser, der in der Schicht der stellaren Photosphäre abgetastet wird, um einen Wert von 43 Tausendstel Bogensekunden bleibt. Hier ist eine Liste von Winkeldurchmessern, die von den wichtigsten Studien gemessen wurden, die sich der Beobachtung von Beteigeuze ab dem Jahr 2000 widmeten:
- 43,76 ± 0,12 mas (Perrin et al, 2004);
- 44,31 ± 0,12 mas (Haubois et al., 2009);
- 43,6 mas (Chivassa et al., 2009)
- 43,56 ± 0,06 (Ohnaka et al., 2009);
- 42,49 ± 0,06 (Ohnaka et al., 2011);
- 42,28 ± 0,03 (Montargès et al. 2014);
- 43,15 ± 0,50 (Montargès et al., 2016).
Wenn wir die von Harper und Kollegen vorgeschlagene Entfernung von 724 Lichtjahren annehmen, entspricht der aktuelle Winkeldurchmesser von Betelgeuse einem linearen Durchmesser von 1,44 Milliarden km, was dem 1.038-fachen des Sonnendurchmessers entspricht. Befände sich Betelgeuse an der Stelle der Sonne, würde seine Photosphäre fast den Jupiter berühren!
