Betelgeuse

Quello che segue è un lungo percorso attraverso ciò che sappiamo e ciò che ignoriamo di Betelgeuse e su tutte le incertezze che accompagnano il nostro sapere. Ogni tappa è autonoma, ma tutte insieme disegnano un ritratto accurato e fedele di questa stella straordinaria.

Il calo di luminosità più cospicuo da un secolo a questa parte#

Betelgeuse¹ è una delle stelle più facilmente riconoscibili del cielo per il suo vivido colore rosso arancio e per la posizione che occupa in Orione, meno di dieci gradi a nord-est della Cintura, che, con le sue tre stelle allineate, rappresenta il centro della costellazione.

Una variabile semiregolare#

Conosciuta e ammirata fin dall’antichità, è una delle stelle più osservate e studiate di tutti i tempi. Le misurazioni fotoelettriche della sua luminosità sono cominciate circa un secolo fa ². Con la loro superiore affidabilità rispetto alle osservazioni puramente visuali, esse hanno permesso di ricostruire con grande precisione i cicli di variazione di luminosità succedutisi nel corso degli anni. Betelgeuse è infatti una variabile semiregolare, con complesse oscillazioni dovute al vario sovrapporsi di almeno tre diversi periodi, uno della durata approssimativa di $\sim 200$ giorni, uno di $\sim 400$ giorni e l’ultimo di $\sim 2000-2200$ giorni, noto come LSP (long secondary period), spesso attribuito alla probabile presenza di una compagna invisibile.

Al massimo della luminosità, la supergigante rossa in Orione raggiunge una magnitudine visuale intorno a $+0{,}3$. È allora la $6^a$ o $7^a$ stella più brillante del cielo. Al suo minimo, invece, la magnitudine visuale può salire fino a $+1{,}3$, il che la porta oltre il $20^{\circ}$ posto nell’elenco delle stelle più luminose visibili a occhio nudo.

Grazie alle conoscenze ricavate dal vasto archivio di misurazioni fotometriche disponibili, le periodiche variazioni di luminosità di Betelgeuse non sono di certo una sorpresa per gli astronomi. Ma quando tali variazioni superarono, e non di poco, gli estremi riportati nella serie storica, allora anche gli esperti di stelle variabili cominciarono a domandarsi se non stesse capitando qualcosa di nuovo. Il tema diventò attuale tra la fine del 2019 e l’inizio del 2020.

The Great Dimming#

Tutto cominciò a ottobre 2019, quando la luce proveniente da Betelgeuse iniziò ad affievolirsi. Il 7 dicembre, la magnitudine visuale apparente era già salita a $+1{,}12$, la più alta degli ultimi 25 anni di misurazioni fotometriche. Il 19 dicembre, nuovo record negativo: la magnitudine visuale era a $+1{,}29$. Bisogna ritornare al periodo tra la fine del 1926 e l’inizio del 1927 per trovare un valore simile, intorno a $+1{,}25$. Ma la perdita di luminosità non si arresta. Il 17 e il 18 gennaio 2020 vengono registrati due nuovi minimi: $+1{,}49$ e $+1{,}50$. Betelgeuse è ora nettamente meno luminosa di Aldebaran ($m_V = +0{,}9$).

Dalla metà di gennaio 2020 in poi, la velocità con cui la stella perdeva luce cominciò a ridursi, ma la diminuzione non si arrestò. Alla fine del mese si registrò un nuovo record negativo, che non aveva precedenti da quando esistono misurazioni strumentali della luminosità stellare. La magnitudine visuale di Betelgeuse il 30 gennaio era giunta a $+1{,}614$, praticamente uguale a quella della blu Bellatrix ($m_V = +1{,}62$), che è di regola la terza stella più luminosa di Orione, dopo Rigel e, appunto, Betelgeuse.

Rispetto a settembre 2019, la supergigante rossa aveva guadagnato circa $1$ magnitudine, il che significa che appariva all’epoca $2{,}5$ volte meno luminosa di cinque mesi prima. Il calo rispetto al suo massimo era ancora più elevato (circa $1{,}4$ magnitudini). Dai dati osservativi si ricavava anche che stava diventando più fredda. Rispetto a settembre 2019 la temperatura efficace era infatti diminuita di quasi $100$ gradi, passando da $3650\,\text{K}$ a $3565\,\text{K}$.

La ricerca delle cause#

Prendendo i dati riportati come l’effetto di un cambiamento isotropico, che interessava cioè allo stesso modo tutta la superficie radiante della stella, la diminuzione di luminosità avrebbe implicato una diminuzione del raggio di Betelgeuse dell’$8\%$ nel corso di pochi mesi. Ma Guinan e Wasatonic, i due astronomi della Villanova University a cui si devono le osservazioni fin qui descritte, avvertirono la comunità scientifica che quella inusuale diminuzione di luminosità poteva anche dipendere da fenomeni locali, come ad esempio la formazione di polveri opache nell’atmosfera estesa di Betelgeuse o l’apparizione di regioni localmente più fredde sulla fotosfera stellare, prodotte dai potenti moti convettivi che agitavano gli strati esterni della supergigante.

Molti pensarono, anzi sperarono, che quella repentina perdita di luminosità fosse il preludio all’esplosione di supernova di Betelgeuse. Si tratta infatti di una stella massiccia e altamente evoluta, che sappiamo essere giunta alle fasi finali della sua esistenza. Un giorno esploderà come una supernova di tipo II, diventando per qualche tempo più luminosa della Luna; così luminosa da poter essere ammirata anche in pieno giorno. Tuttavia quel momento fatidico è presumibilmente ancora lontano. Le previsioni più attendibili indicano in circa $100\,000$ anni il tempo che deve ancora trascorrere prima che Betelgeuse deflagri come supernova.

Comunque sia, a distanza di oltre cinque anni dal cosiddetto Great Dimming di Betelgeuse, il quadro che gli astronomi hanno ricostruito è diventato piuttosto solido, anche se restano alcuni dettagli aperti.

Il meccanismo alla base dell’evento di oscuramento#

Il meccanismo centrale fu quasi certamente un grande evento di espulsione di massa dalla fotosfera della stella, generato da onde d’urto profonde legate alla pulsazione e alla convezione del plasma che risaliva dall’interno della supergigante. Gli astronomi pensano che sulla fotosfera di Betelgeuse si formò verso la fine del 2019 una grande bolla di origine convettiva (e, quando diciamo “grande”, se parliamo di Betelgeuse, intendiamo una struttura estesa come minimo alcune decine di milioni di chilometri).

La pulsazione naturale della stella e i suoi potenti campi magnetici “eruttarono” poi la bolla fuori dalla fotosfera stellare. Il gas espulso si allontanò da Betelgeuse e si raffreddò gradualmente, formando uno scudo di polveri interposto davanti alla stella nella nostra direzione. Fu questa polvere opaca a oscurare la parte meridionale di Betelgeuse, causando l’attenuazione del flusso di radiazione ricevuto sulla Terra.

A conferma di questa spiegazione, le osservazioni interferometriche mostrarono un oscuramento asimmetrico, più marcato nell’emisfero sud della stella. A causa della perdita di materiale dalla regione della macchia calda, sulla fotosfera comparve anche un’area più fredda, visibile come una macchia scura lungo la linea di vista. In conclusione, il calo di luminosità osservato a cavallo tra il 2019 e il 2020 fu il risultato combinato di due effetti concomitanti: un vero e proprio raffreddamento locale della superficie stellare e l’oscuramento da parte di polveri di nuova formazione.

In ogni caso, l’oscuramento fu del tutto transitorio. Ad aprile del 2020, la magnitudine apparente di Betelgeuse era ritornata a $+0{,}49$, perfettamente in linea con il valore abituale medio di $+0,5$. Questo evento ci ricorda che Betelgeuse non è una stella come le altre. È enorme, irrequieta e per certi versi ancora misteriosa.

Nel seguito di questo articolo cercheremo di ricostruire ciò che sappiamo e di circoscrivere ciò che invece ancora non sappiamo, attraverso un compendio (necessariamente incompleto) delle numerosissime ricerche scientifiche dedicate allo studio di Betelgeuse.

Quanto è lontana?#

Conoscere la distanza esatta di una stella è essenziale per ricavare altri parametri importanti, quali ad esempio il raggio e la luminosità intrinseca. Tuttavia la determinazione precisa delle distanze stellari è tutt’altro che facile, soprattutto quando si ha a che fare con una supergigante come Betelgeuse, che è brillantissima, ha un diametro angolare nettamente maggiore dell’angolo di parallasse misurabile dalla Terra e che, per di più, ha una forma asimmetrica e una distribuzione disomogenea della luminosità superficiale.

Nulla di più variabile della distanza di Betelgeuse#

Accade pertanto che l’incertezza nella conoscenza della distanza si ripercuota su tutti i parametri che dipendono da essa, a cominciare dal raggio stellare. Di tale incertezza è possibile trovare ampia testimonianza in numerose fonti di carattere generalista che forniscono informazioni sintetiche su Betelgeuse. Eccone un piccolo catalogo.

Secondo la Philip’s Astronomy Encyclopedia, Betelgeuse dista da noi $427$ anni luce e misura circa $500$ volte il raggio del Sole (cioè poco meno di $350$ milioni di chilometri).

Secondo, invece, la guida Navigating the Night Sky di Guilherme de Almeida (2005), Betelgeuse è più piccola e più vicina: dista solo $350$ anni luce dalla Terra e ha un raggio “appena” $300$ volte maggiore di quello del Sole, cioè circa $209$ milioni di chilometri.

Per l’Enciclopedia Encarta di Microsoft, un testo non specialistico pubblicato fino al 2015, Betelgeuse è ancora più vicina - $300$ anni luce - e il suo raggio varia tra i $210$ e i $290$ milioni di chilometri.

L’Enciclopedia Britannica, dall’alto della sua autorevolezza, afferma invece che Betelgeuse dista quasi il doppio, circa $548$ anni luce, e ha un raggio che corrisponde approssimativamente a $764$ volte quello del Sole: quasi $532$ milioni di chilometri.

In An introduction to the sun and stars (2004) a cura di Simon F. Green e Mark H. Jones, possiamo leggere a pagina 100 che Betelgeuse «è quasi mille volte più grande del Sole e $20$ volte più massiccia». La sua distanza dalla Terra è stimata in $131$ parsec, corrispondenti all’incirca a $427$ anni luce.

Infine, da The Hundred Greatest Stars (2002) di James B. Kaler, un astronomo con un interesse particolare per le stelle più grandi e luminose, apprendiamo che Betelgeuse dista $430$ anni luce dalla Terra e ha un raggio pari a $800$ volte quello del Sole.

Questa carrellata di numeri non fa che rinforzare la curiosità iniziale: quanto è lontana effettivamente Betelgeuse? Vediamo cosa ci dice in proposito la scienza.

La difficile scienza della distanza di Betelgeuse#

Nell’agosto del 1989, un razzo Ariane 4 portò in orbita il satellite Hipparcos dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Nel corso di una missione durata quattro anni, Hipparcos compì la più accurata serie di osservazioni astrometriche mai realizzata fino a quel momento, misurando con alta precisione, al riparo dalle distorsioni prodotte dall’atmosfera terrestre, angolo di parallasse e moto proprio di quasi $120\,000$ stelle. Nel 1997 furono finalmente pubblicati i risultati scientifici della missione. Si seppe allora che l’angolo di parallasse di Betelgeuse ³ misurato dal satellite era pari a $7{,}63\,\text{mas}$ (millesimi di secondo d’arco). A un tale angolo corrisponde una distanza di $131$ parsec, cioè $427$ anni luce (il valore riportato da alcune delle fonti citate più sopra).

Data per buona quella misura dell’angolo di parallasse, dobbiamo però considerare anche il margine d’errore riportato nel catalogo di Hipparcos, risultato pari a $\pm1{,}64\, \text{mas}$ ⁴. Facendo i calcoli, ne deduciamo che Betelgeuse potrebbe trovarsi a una qualsiasi distanza compresa tra $108$ parsec e $167$ parsec, cioè tra $352$ e $544$ anni luce: una differenza non proprio trascurabile.

Dieci anni dopo, nel 2007, Floor van Leeuwen, un astronomo olandese, pubblicò una seconda versione del catalogo di Hipparcos, nella quale, usando un differente metodo di riduzione dei dati grezzi forniti dal satellite, riuscì a ottenere alla fine misure degli angoli di parallasse fino a quattro volte più precise di quelle contenute nel primo catalogo. L’angolo di parallasse di Betelgeuse risultava ora più piccolo — $6{,}55\,\text{mas}$ — e più piccolo anche il margine di errore: $\pm0{,}83\,\text{mas}$. La nuova stima della distanza ottenuta in seguito a questa revisione portò la distanza di Betelgeuse a $153$ parsec ($498$ anni luce). Ma, se teniamo conto, com’è giusto che sia, anche del margine di errore, otteniamo che la supergigante potrebbe trovarsi a una qualsiasi distanza compresa tra $135$ e $175$ parsec, cioè tra $442$ e $570$ anni luce.

Sembrava a questo punto che Hipparcos avesse messo la parola fine all’annosa questione della distanza di Betelgeuse. Tuttavia, in uno studio pubblicato su The Astronomical Journal nell’aprile 2008 apparve una nuova stima: circa duecento anni luce in più rispetto al valore misurato da Hipparcos. La nuova ricerca combinava i dati forniti dal satellite dell’ESA con quelli ottenuti nelle onde radio attraverso una serie di rilevazioni effettuate in varie epoche con il Very Large Array (VLA) del National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Le conclusioni di Harper, Brown e Guinan, i tre autori dello studio, furono le seguenti:

Posizioni di Betelgeuse ottenute da osservazioni VLA multi-lunghezza d’onda ad alta risoluzione spaziale hanno condotto a una riduzione della parallasse e a un’accresciuta distanza, rispetto a quelle misurate da Hipparcos. (…) In un certo senso, la distanza derivata di $200$ parsec è un compromesso tra la distanza di $131$ parsec di Hipparcos e quella radio che tende verso i $250$ parsec. Future nuove posizioni radio dovrebbero condurre a una migliore soluzione astrometrica.

Il dato finale fornito dai tre per la distanza di Betelgeuse era $197\pm45$ parsec, cioè $642$ anni luce con un margine di errore di $\pm147$ anni luce. In base a tale stima, la supergigante rossa potrebbe trovarsi a una qualsiasi distanza dalla Terra compresa tra $495$ e $789$ anni luce.

Più lontana, più grande, più luminosa#

Ma quando si tratta di Betelgeuse, le cose non sono mai facili né concluse. Un nuovo studio pubblicato sull’Astronomical Journal nel 2017, combinava i dati di Hipparcos e quelli del VLA con recenti misurazioni radio della posizione di Betelgeuse ottenute con gli interferometri e-MERLIN e ALMA. Il nuovo valore fornito da Harper e dagli altri sei autori dello studio fu di $222$ parsec con un margine di errore di $+48$ e $−34$ parsec. Convertendo in anni luce, si ottiene una distanza di $724$ anni luce, con un minimo di $613$ e un massimo di $880$ anni luce.

In conclusione, negli ultimi decenni la stima della distanza di Betelgeuse non ha fatto che aumentare. L’angolo di parallasse misurato da Hipparcos era evidentemente sovrastimato, a causa delle note difficoltà legate alla misurazione di un angolo così piccolo in una stella così luminosa, così variabile e con un diametro angolare così grande. Il ricalcolo della distanza derivato dalle osservazioni compiute con gli interferometri VLA, e-MERLIN e ALMA ci dice, in sostanza, che Betelgeuse potrebbe essere ancora più grande e luminosa di quanto era stato calcolato sulla base delle precedenti stime della distanza.

In ogni caso, la determinazione della distanza di Betelgeuse resta ancora notevolmente imprecisa. Un salto di qualità nella misurazione dell’angolo di parallasse della supergigante rossa si sarebbe potuto ottenere grazie ai precisissimi dati forniti dal satellite astrometrico dell’ESA, Gaia, l’erede di Hipparcos, che ha misurato dal 2013 al 2025 posizione, moto proprio e distanza di oltre 1 miliardo di stelle della Via Lattea. Ma Betelgeuse era troppo luminosa per i delicati strumenti di Gaia. Dobbiamo rassegnarci per ora a una conoscenza piuttosto approssimativa della distanza della supergigante rossa in Orione.

Quanto è grande davvero?#

Un tentativo di suicidio lungo 56 anni#

A pagina 23 del primo volume di un’opera di divulgazione astronomica del 1923, Hutchinson’s Splendour of the Heavens, compare un curioso disegno. Ci sono un ragazzino che spara un colpo di fucile e un anziano che guarda nella direzione opposta e sta per essere colpito dal proiettile, dopo che questo ha percorso l’intera circonferenza di Betelgeuse. La didascalia in inglese all’interno dell’immagine dice che, se un quattordicenne sparasse un colpo di fucile, dovrebbe attendere fino all’età di $70$ anni perché il proiettile da lui sparato compisse un giro completo intorno alla stella ⁵.

A parte la stranezza della situazione - un’incrollabile attesa di $56$ anni, per portare a termine il più lungo tentativo di suicidio mai realizzato - il disegno induce a riflettere sull’immensità di Betelgeuse. Nel secondo volume della stessa opera appare uno schizzo che pone a confronto alcune note giganti e supergiganti rosse, immaginandole come cerchi concentrici. Secondo le conoscenze dell’epoca, Antares era la stella più grande di tutte, e Betelgeuse veniva al secondo posto.

L’informazione veramente interessante si trova però nella didascalia che accompagna l’immagine:

Per mezzo di un meraviglioso adattamento del principio d’interferenza della luce, gli astronomi dell’Osservatorio del Monte Wilson in California sono stati in grado di misurare i diametri angolari di alcune stelle giganti. Essendo approssimativamente note le distanze, è stato possibile calcolare i loro diametri reali.

Il testo citato fa riferimento a un celebre esperimento condotto da Albert A. Michelson e da Francis G. Pease nel 1920, poco più di un secolo fa, nel corso del quale fu usato per la prima volta un interferometro per misurare il diametro angolare di una stella, Betelgeuse per l’appunto. Era il primo passo verso una determinazione realmente affidabile della grandezza della supergigante rossa.

L’esperimento di Michelson e Pease e il diametro angolare di Betelgeuse#

Ridotto all’essenziale, un interferometro è un dispositivo che, per mezzo di un sistema di specchi, produce immagini distinte dello stesso oggetto e poi le sovrappone facendo percorrere loro strade differenti. La sovrapposizione genera le cosiddette frange d’interferenza, dovute alla natura ondulatoria della luce. La presenza di tali frange è correlata con la lunghezza d’onda della luce e con la distanza da essa percorsa. Conoscendo tali dati, è possibile determinare con esattezza il diametro angolare dell’oggetto osservato. Una volta noto il diametro angolare, se si conosce la distanza della stella (Betelgeuse nel nostro caso), si può ricavare facilmente la misura del suo diametro lineare.

Pensando a quell’esperimento, sorge naturale una domanda: perché mai Michelson e Pease ebbero bisogno di un interferometro? Non bastavano le normali capacità del telescopio Hooker da 2,5 metri ⁶ dell’Osservatorio di Mount Wilson per scorgere direttamente il disco di Betelgeuse e calcolare così il suo diametro angolare? Purtroppo no, non bastavano. Il fatto è che le stelle - tutte le stelle a parte il Sole - sono così lontane dalla Terra che, soprattutto all’epoca di Michelson e Pease, anche un grande telescopio terrestre non era in grado di mostrarle più che come punti luminosi, resi sfocati dal passaggio della luce attraverso le turbolenze dell’atmosfera terrestre. Ecco, allora, che l’interferometria, con la sua capacità di moltiplicare l’informazione contenuta nella luce grazie all’uso sapiente del fenomeno dell’interferenza, divenne uno strumento indispensabile per raggiungere la risoluzione necessaria a misurare l’angolo sotteso dal disco di stelle diverse dal Sole. Betelgeuse fu solo la prima di una lunga serie.

Ma a quali conclusioni giunsero i due scienziati dopo aver osservato la supergigante rossa con l’interferometro? Lo possiamo leggere alla fine dell’articolo che essi pubblicarono nel 1921:

Assumendo che l’effettiva lunghezza d’onda per $\alpha\;\text{Orionis}$ sia $\lambda 5750$, il suo diametro angolare ricavato dalla formula $\alpha = 1{,}22 \lambda/b$ risulta essere $0''{,}047$; e con una parallasse di $0ˮ{,}018$, si ottiene che il suo diametro lineare è $240 \times 10^6$ miglia, ovvero leggermente meno dell’orbita di Marte. Questo valore corrisponde a un disco uniformemente illuminato, mentre, per uno oscurato al bordo, tale risultato (…) dovrebbe essere aumentato di circa il $17$ per cento. L’incertezza nella misurazione del diametro angolare è intorno al $10$ per cento.

Osservato con l’interferometro di Michelson e Pease, il disco di Alfa Orionis, cioè Betelgeuse, sottendeva dunque un angolo di $47\,\text{mas}$ (millesimi di secondo d’arco), al quale — posto un angolo di parallasse di $18\,\text{mas}$ — corrispondeva un diametro lineare di $240$ milioni di miglia, cioè $386$ milioni di chilometri, con un’incertezza del $10$ per cento. Tenendo conto dell’oscuramento al bordo, e aumentando perciò il valore trovato del $17$ per cento, il diametro saliva a $452$ milioni di chilometri, pari a quasi $325$ volte il diametro del Sole.

I dati moderni ci dicono una verità diversa#

Col senno di poi, possiamo dire che Michelson e Pease sottostimarono notevolmente la grandezza effettiva di Betelgeuse, perché la misura dell’angolo di parallasse da essi adottata, $18\,\text{mas}$, era nettamente maggiore rispetto al valore misurato dal satellite Hipparcos settanta anni dopo. Da quell’angolo si ricava una distanza di $55$ parsec, cioè appena $181$ anni luce. È una distanza quattro volte minore di quella ritenuta oggi più attendibile, che è di $724$ anni luce, ed è stata ricavata usando tecnologie molto più avanzate di quelle disponibili ai tempi di Michelson e Pease.

Se ripetiamo il calcolo basandoci su questa nuova distanza, per un diametro angolare di $47$ secondi d’arco otteniamo un diametro lineare di $1{,}56$ miliardi di $\text{km}$. E se aggiungiamo un ulteriore $17\%$ per tenere conto dell’oscuramento al bordo, arriviamo a $1{,}83$ miliardi di $\text{km}$: un diametro veramente colossale, l’equivalente di oltre $1\,300$ diametri solari!

Se questo, dunque, era il diametro di Betelgeuse un secolo fa, è interessante confrontarlo con il diametro che si ricava dagli studi interferometrici più recenti. Per quanto, infatti, un secolo sia praticamente nulla nella vita di una stella, Betelgeuse è una stella particolare, sottoposta a cicli di pulsazione che fanno variare le sue dimensioni molto rapidamente.

Una supergigante che rimpicciolisce#

Una prova impressionante della variabilità di dimensioni di Betelgeuse è fornita da uno studio pluriennale condotto da un gruppo di ricercatori dell’Università della California a Berkeley, che si servì per monitorare le dimensioni di Betelgeuse dell’interferometro ISI (Infrared Spatial Interferometer), installato sulla sommità del Monte Wilson nella California del Sud. Il gruppo di ricerca, che iniziò la sua campagna di osservazioni nel 1993 e la portò avanti per ben quindici anni, era guidato da Charles H. Townes, premio Nobel per la fisica nel 1964 per i suoi fondamentali studi di elettronica quantistica, che condussero allo sviluppo del laser e del maser.

Ciò questi ricercatori scoprirono è piuttosto sorprendente, come si comprende leggendo la seguente spiegazione, fornita da Townes a supporto dello studio pubblicato nel 2009, che presentava i risultati scientifici delle loro osservazioni:

Osserviamo intorno agli $11$ micron, il medio infrarosso, in modo che le onde lunghe di questa frequenza attraversino le polveri e la ristretta ampiezza di banda permetta di evitare le righe spettrali. In tal modo possiamo osservare la stella relativamente non distorta. Abbiamo anche la grande fortuna di avere uno strumento che è stato utilizzato in maniera molto simile per circa quindici anni, fornendo una lunga e coerente serie di misurazioni che non ha eguali al mondo. Le prime misurazioni mostravano una dimensione del tutto compatibile con i risultati di Michelson, ma nel corso di $15$ anni la grandezza è diminuita di circa il $15$ per cento, cambiando senza grossi sbalzi ma sempre più velocemente, a mano a mano che gli anni passavano.

Nel corso degli anni, dunque, il diametro della supergigante si era andato progressivamente riducendo, fino a perdere in totale circa il $15\%$ della grandezza misurata nel 1920 da Michelson e Pease. Un altro dato curioso è che, durante gli stessi anni in cui il diametro era diminuito, la luminosità di Betelgeuse era rimasta invece pressoché stabile. Se la stella si era rimpicciolita, doveva essere diminuita in proporzione anche la sua superficie radiante. Come poteva la luminosità essere rimasta uguale?

Una possibilità è che la diminuzione del diametro di Betelgeuse registrata dal gruppo di Townes non sia stata uniforme, ma asimmetrica, probabilmente una conseguenza dei giganteschi moti convettivi che interessano gli strati superficiali della stella. A tal proposito, lo stesso Townes, insieme con altri autori, aveva pubblicato nel 2007 uno studio in cui descriveva la presenza di una chiara asimmetria nella forma di Betelgeuse, ricavata appunto dalle osservazioni eseguite con l’interferometro ISI.

Edward Wishnow, uno degli scienziati che aveva partecipato con Townes alla campagna di osservazioni, non poté però fare a meno di rimarcare quanto sia grande la quantità di cose che ancora ignoriamo a proposito della fisica stellare:

Non sappiamo perché la stella si stia rimpicciolendo. Sappiamo molto sulle galassie e sull’universo distante, ma c’è ancora un mucchio di cose che non conosciamo delle stelle, compreso ciò che accade alle giganti rosse prossime alla fine della loro vita.

Va precisato che il diametro angolare di una stella varia non solo in funzione di quanto essa effettivamente si espanda o si contragga, ma anche in ragione della lunghezza d’onda sulla quale sono centrate le osservazioni interferometriche. Ciò che si osserva nella luce visibile è diverso da ciò che si osserva nell’ultravioletto o nel vicino e nel medio infrarosso. Ogni intervallo di lunghezze d’onda campiona un livello differente della materia stellare, a partire dalla fotosfera fino alle propaggini più esterne dell’atmosfera. Cambia di conseguenza il diametro che si ottiene alla fine.

Non è questo, però, il caso delle osservazioni compiute tra il 1993 e il 2008 dal team di Townes. Come ricordato nel passaggio citato più sopra, Betelgeuse fu osservata per tutti i quindici anni sempre con il medesimo strumento e alla medesima lunghezza d’onda. Il rimpicciolimento misurato deve dunque essere considerato reale. Assumendo che si sia trattato di un fenomeno uniforme, che interessò allo stesso modo l’intera superficie stellare, il diametro fisico di Betelgeuse passò in quel quindicennio da $1{,}86$ a $1{,}59$ miliardi di $\text{km}$.

Betelgeuse continua naturalmente a essere tenuta sotto stretta sorveglianza. Le osservazioni compiute con diversi interferometri negli ultimi due decenni indicano che il diametro angolare al livello della fotosfera stellare si mantiene intorno a un valore di $42-43$ millesimi di secondo d’arco. Ecco di seguito un breve elenco dei diametri angolari misurati dai principali studi specialistici dedicati all’osservazione di Betelgeuse dal 2000 in poi:

Se si dà per buona la distanza di $724$ anni luce proposta da Harper e colleghi, il diametro angolare attuale di Betelgeuse corrisponde a un diametro lineare di $1{,}44$ miliardi di $\text{km}$, pari a $1\,038$ volte il diametro solare. Se Betelgeuse si trovasse al posto del Sole, la sua fotosfera arriverebbe quasi a lambire Giove!

Una stella ribollente e asimmetrica#

Una supergigante rossa come Betelgeuse si trova in uno stadio evolutivo molto più avanzato del Sole. Le reazioni nucleari che avvengono al suo interno hanno causato un enorme aumento delle dimensioni, in conseguenza del quale gli strati esterni della stella, uscita da tempo dalla sequenza principale, sono diventati estremamente rarefatti. Potenti moti convettivi trasportano fino alla fotosfera la materia più calda che risale dall’interno, producendo gigantesche “bolle” che rendono disomogenei l’aspetto visibile e la distribuzione delle temperature alla superficie di Betelgeuse.

Si tratta perciò di una stella con un aspetto molto differente da quello del Sole e di ciò sono prova i numerosi studi che, nel corso degli ultimi decenni, sono stati pubblicati sulla base delle osservazioni compiute con i più potenti telescopi e interferometri del mondo.

Già in uno studio pubblicato nel 1990, gli autori Buscher, Haniff, Baldwin e Warner avevano descritto la presenza di una caratteristica evidentemente asimmetrica sulla fotosfera di Betelgeuse, dopo aver osservato la stella con il telescopio William Herschel da $4{,}2$ metri, usato in modo da simulare un interferometro:

Presentiamo immagini ad alta risoluzione del febbraio 1989 della supergigante-M Betelgeuse alle lunghezze d’onda di $633$, $700$ e $710\,\text{nm}$, realizzate usando il metodo del mascheramento non ridondante. A tutte queste lunghezze d’onda, c’è l’inequivocabile evidenza di una caratteristica asimmetrica sulla superficie della stella, che contribuisce per il $10–15$ per cento al flusso totale osservato. Ciò potrebbe essere dovuto al passaggio davanti al disco stellare di una vicina compagna o, più probabilmente, a moti di convezione su larga scala nell’atmosfera stellare.

Nelle conclusioni, riprendendo l’ipotesi dei moti convettivi, essi aggiunsero:

È lecito attendersi che queste zone superficiali siano così grandi che solo poche di esse possano essere presenti sulla superficie stellare contemporaneamente (…).

La prima immagine diretta del disco di una stella diversa dal Sole#

La presenza di tale asimmetria fu confermata sei anni dopo, con la pubblicazione a maggio 1996 sull’Astrophisical Journal di uno studio che presentava la prima immagine diretta della superficie di una stella diversa dal Sole, Betelgeuse appunto, ottenuta grazie alle straordinarie capacità del telescopio spaziale Hubble.

La scelta di Betelgeuse per una simile, storica osservazione fu tutt’altro che casuale o sentimentale, ma fu dovuta al fatto che la supergigante rossa è, dopo il Sole, la stella con il maggiore diametro angolare visibile dalla Terra.

Grazie alla potenza di Hubble, fu possibile rilevare intorno a Betelgeuse la presenza di una cromosfera molto estesa, di cui era indizio il fatto che il diametro del disco stellare, misurato nell’ultravioletto, era circa il doppio del diametro osservato nella luce visibile (nella quale si osserva la fotosfera. Poi i due autori, Gilliland e Dupree, concentrarono la loro attenzione sulla regione brillante (the Bright Region), chiaramente visibile nell’immagine prodotta da Hubble:

La presenza di un unico, brillante elemento dominante nell’atmosfera di Betelgeuse è qualcosa di radicalmente diverso dall’immagine UV del Sole (la sola altra stella con un disco direttamente visibile), la quale ha un tipico aspetto a macchie con molte regioni attive presenti contemporaneamente. L’elemento osservato su Betelgeuse potrebbe essere composto da un insieme non risolto di regioni brillanti. Ma, al minimo solare, quando ci sono poche macchie sul disco del Sole, non è mai capitato finora di osservare una singola grande regione attiva (o gruppo) che copra circa il $10$ per cento dell’area visibile e circa il $20$ per cento del flusso. Pertanto, l’atmosfera di questa supergigante fornisce la prova di un fenomeno fisico totalmente nuovo nelle atmosfere stellari luminose, il che è promettente per la comprensione della struttura e dell’equilibrio energetico nelle atmosfere a bassa gravità ⁷.

Un’atmosfera immensamente estesa#

In un articolo pubblicato nel 2001, Timothy, Horch e Valenti presentarono la prima immagine diretta di Betelgeuse ottenuta nel lontano ultravioletto, grazie all’utilizzo in modalità fotocamera dello spettrografo presente sul telescopio spaziale Hubble. I dati registrati dallo STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) rivelarono la presenza di un’atmosfera stellare estesa più di tre volte il diametro di Betelgeuse nella luce visibile.

Il diametro medio dell’atmosfera stellare ripresa nel lontano ultravioletto era intorno a $260$ millesimi di secondo d’arco, l’equivalente di $8{,}6$ miliardi di $\text{km}$, ponendo la distanza di Betelgeuse dalla Terra uguale a $724$ anni luce. Se questa immensa supergigante rossa si trovasse al posto del Sole, le propaggini della sua atmosfera lambirebbero l’orbita di Nettuno!

L’immagine acquisita da Hubble nel lontano ultravioletto confermava la disomogeneità dell’atmosfera di Betelgeuse. Vi apparivano due grandi regioni più luminose della media ed era evidente la completa mancanza di simmetria sferica.

L’asimmetria riscontrata da tali studi fu confermata anche da altre ricerche. Betelgeuse fu osservata, per esempio, con lo strumento PIONIER del Very Large Telescope Interferometer, in Cile, per quattro notti, tra il 2012 e il 2014. Uno studio pubblicato nel 2016 su Astronomy & Astrophysics fornì un resoconto dei risultati raggiunti da quelle osservazioni.

Un “hot spot” a passeggio sulla fotosfera#

Come si può notare dall’immagine seguente, tratta dallo studio in questione, sulla superficie di Betelgeuse appare una gigantesca “macchia” luminosa, decentrata rispetto al centro fisico del disco stellare. È un punto caldo (hot spot) che si sposta nel tempo e che interferisce con la precisa determinazione del diametro angolare della stella. Questo punto caldo aveva una temperatura locale di circa $1\,000$ gradi più elevata della temperatura efficace media di Betelgeuse.

Gli autori dello studio interpretarono la macchia luminosa come lo sbocco alla superficie stellare di un’enorme cella di convezione, cioè una massa di plasma ad alta temperatura, che, per la minore densità, emerge verso la fotosfera dall’interno della stella. Anche la fotosfera solare, del resto, è ricoperta da celle di convezione, i cosiddetti granuli. Ma le strutture visibili sulla superficie del Sole hanno diametri intorno a $1\,000–1\,500\,\text{km}$: nulla a che vedere con la mostruosa bolla che “occhieggia” sulla superficie di Betelgeuse, grande all’incirca quanto l’orbita di Marte.

È come se la supergigante rossa fosse un’enorme “pentola” in perenne ebollizione, senza una forma ben definita, a causa della continua evoluzione delle grandi bolle di plasma che emergono alla sua superficie. Una simile evidente asimmetria, che contrasta fortemente con la quasi perfetta sfericità del Sole, apparve in forma ancora più pronunciata nelle osservazioni compiute con l’interferometro ALMA, descritto da un altro studio pubblicato nel 2017 su Astronomy & Astrophysics.

Betelgeuse osservata con l’interferometro ALMA#

Betelgeuse fu osservata con ALMA il 9 novembre 2015 per $75$ minuti nella banda tra $275$ e $373\,\text{GHz}$, usando $47$ delle $66$ antenne del grande interferometro cileno. Il risultato dell’osservazione è visibile nell’immagine seguente.

ALMA aveva ripreso l’atmosfera estesa della supergigante rossa, cioè il livello esterno alla fotosfera, comprendente la cromosfera.

Sono visibili evidenti asimmetrie. Una appare nell’immagine come una macchia luminosa, localizzata nel quadrante superiore sinistro. Un’altra è la protuberanza che si vede emergere a metà del disco, dallo stesso lato. Entrambe le caratteristiche presentano temperature di circa $1\,000\,\text{K}$ più elevate della temperatura media a $1{,}3$ raggi stellari, che è di $2\,760\,\text{K}$ (quasi $1\,000$ gradi in meno della temperatura al livello della fotosfera).

Queste due zone calde dell’atmosfera stellare furono interpretate come effetti di una più intensa attività magnetica locale, prodotta dai giganteschi moti convettivi che raggiungono la fotosfera di Betelgeuse. Un altro elemento interessante emerso dall’osservazione eseguita con ALMA era l’inversione di temperatura che avviene nell’atmosfera della stella. Mentre a $1{,}3$ raggi stellari la temperatura della cromosfera è di $2\,760\,\text{K}$, a $2$ raggi stellari la temperatura sale a $3\,600\,\text{K}$ (simile a quella della fotosfera), per scendere infine a $1\,400\,\text{K}$ alla distanza di $6$ raggi stellari.

Insomma, l’atmosfera di Betelgeuse è tutt’altro che uniforme e omogenea. La sua struttura asimmetrica e l’inversione di temperatura dimostrano che i fenomeni fisici che la influenzano sono ben diversi da quelli che possiamo osservare sul Sole.

Il diametro dell’atmosfera estesa di Betelgeuse, così come appare nell’immagine prodotta da ALMA, equivale a circa $1\,400$ diametri solari, poco meno di $2$ miliardi di $\text{km}$: abbastanza per arrivare a metà strada tra Giove e Saturno, se Betelgeuse si trovasse al posto del Sole.

Betelgeuse, meno grande e più vicina di quanto si pensasse#

La supergigante rossa in Orione è da sempre una delle stelle più osservate e studiate dagli astronomi. Nonostante i circa 1.800 articoli scientifici che le sono stati dedicati dal 1850 ad oggi, è sorprendente quanto le nostre conoscenze su questa magnifica stella siano ancora imprecise. Abbiamo già visto come la distanza esatta e il raggio di Betelgeuse siano stati oggetto di una lunga serie di stime, nessuna delle quali è riuscita finora a mettere d’accordo una volta per tutte i ricercatori interessati alla questione.

In questo panorama di studi ampio e variegato, si inserisce un lavoro, pubblicato il 13 ottobre 2020 su The Astrophysical Journal a firma di Meridith Joyce e altri cinque. I sei autori presentarono i risultati di una delle più approfondite e complete simulazioni astrofisiche mai dedicate a Betelgeuse.

Tre tipi di simulazioni astrofisiche#

Joyce e colleghi usarono una suite di programmi chiamata MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) per eseguire tre diversi tipi di simulazioni: 1) evolutive, 2) astrosismiche e 3) idrodinamiche. Lo scopo della ricerca era quello di ottenere la più accurata stima possibile dei parametri stellari e dell’attuale stadio evolutivo di Betelgeuse, fornendo al software di simulazione i dati osservativi più aggiornati e precisi disponibili all’epoca.

Programmi come MESA sono in grado, infatti, di produrre stime molto affidabili di quei parametri stellari che non è possibile ricavare direttamente dalle osservazioni fotometriche, spettroscopiche o interferometriche. Tra essi vi è, per esempio, la massa di una stella isolata come Betelgeuse. In sostanza, il software fa evolvere nel tempo una versione simulata della stella da analizzare, usando come dati di base i parametri noti. Alla fine delle simulazioni, si ottengono i parametri ignoti, all’interno di un quadro generale che deve essere coerente con i dati osservativi disponibili e con le conoscenze astrofisiche ormai acquisite in materia di struttura e dinamiche stellari.

Dall’analisi comparata dei tre diversi tipi di simulazioni emerse una carta d’identità quasi completa di Betelgeuse, con alcuni dati — diametro e distanza — in contrasto piuttosto netto con i valori proposti nella letteratura scientifica precedente.

Periodi di pulsazione#

Tra i risultati più interessanti dello studio, va annoverata la ridefinizione di due dei periodi di pulsazione della stella, legati al particolare stadio evolutivo in cui Betelgeuse si trova. Il periodo di pulsazione fondamentale trovato da Joyce e colleghi era di $416 \pm 24$ giorni, invece dei $388 \pm 30$ giorni indicati in uno studio del 2006 di altri autori. Il secondo periodo di oscillazione definito nello studio, della durata di $185 \pm 14$ giorni, rappresentava il primo tono armonico nei modi di pulsazione di Betelgeuse ⁸.

Entrambe queste pulsazioni sono generate dal cosiddetto meccanismo k, tipico di stelle giganti e supergiganti uscite dalla sequenza principale. Consiste nell’espansione e contrazione periodiche degli strati esterni della stella, dovute a cambiamenti di pressione, temperatura e opacità alla radiazione. È come una sorta di “respirazione” stellare, che si manifesta all’osservazione con variazioni periodiche della luminosità e della velocità radiale.

Betelgeuse presenta anche un terzo periodo di variabilità, della durata di $2050 \pm 460$ giorni, già identificato da altri autori e dovuto a cause differenti dal meccanismo k. Quali siano queste cause non è chiaro: potrebbe trattarsi di un ciclo legato al moto di celle convettive che risalgono alla superficie stellare oppure dell’esito di interazioni con un’invisibile compagna binaria (su questo approfondiremo più avanti).

Stadio evolutivo#

Uno dei dati più attendibili ricavati dalle simulazioni descritte nello studio pubblicato a ottobre 2020 riguardava l’attuale stadio evolutivo di Betelgeuse. Secondo i sei autori, la supergigante rossa, avendo da tempo esaurito la sua riserva di idrogeno nucleare, si trova ora nelle fasi iniziali del periodo in cui la luminosità stellare è alimentata dalla fusione dell’elio accumulato nel nucleo ⁹.

Massa e raggio#

Altri dati ricavati dalle simulazioni erano le stime della massa iniziale e attuale di Betelgeuse. La prima è compresa tra $18$ e $21$ masse solari, mentre la seconda tra $16{,}5$ e $19$ masse solari ¹⁰. Di queste, circa $6-7$ masse solari sono contenute nel nucleo di elio. Si tratta di valori sostanzialmente in buon accordo con i dati forniti da studi precedenti.

Per quanto riguarda il raggio di Betelgeuse, le stime ricavate dalla vasta letteratura scientifica esistente variano - come abbiamo visto sopra - tra un minimo di $500$ e un massimo di $1\,100$ raggi solari. Le simulazioni astrosismiche eseguite da Joyce e colleghi posero, invece, un limite più stringente al raggio di Betelgeuse, che stimarono, con una precisione pari a $3\, \sigma$, in $764$ raggi solari, con un margine d’incertezza di $116$ raggi solari in più e $62$ in meno ¹¹. Dato che il raggio solare misura $695\,700\,\text{km}$, $764$ raggi solari corrispondono a $531{,}5$ milioni di $\text{km}$ o $3{,}6$ volte la distanza media tra la Terra e il Sole. In altre parole, se Betelgeuse fosse al posto del Sole, il nostro pianeta si troverebbe nelle viscere della stella, e così anche Marte.

Nuova determinazione della distanza#

La determinazione del raggio di Betelgeuse consentì poi agli autori dello studio di ricalcolare la distanza della stella. Ciò fu possibile perché è noto con precisione il diametro angolare della supergigante, che, misurato con la tecnica dell’interferometria, risultava all’epoca pari a $42{,}28 \pm 0{,}43\,\text{mas}$ (millesimi di secondo d’arco). Joyce e colleghi ottennero così una nuova misura dell’angolo di parallasse di Betelgeuse, la prima calcolata a partire da dati astrosismologici.

Il valore calcolato fu di $5{,}95\,\text{mas}$ con un’incertezza di $+0{,}58$ e $−0{,}85\,\text{mas}$, molto simile al valore proposto nel 2007 da van Leeuwen ($6{,}55\,\text{mas}$ con un errore $\pm0{,}83\,\text{mas}$) dopo aver rianalizzato i dati forniti dal satellite Hipparcos. A un tale angolo di parallasse corrisponde una distanza di $168$ parsec, con un errore di $+27$ e $−15$ parsec ¹². Si tratta di una distanza nettamente inferiore ai $222$ parsec calcolati nel 2017 attraverso misurazioni astrometriche effettuate con osservazioni nelle onde radio.

Luminosità e velocità di rotazione#

Dal nuovo calcolo della distanza di Betelgeuse si ricavava anche una stima aggiornata della sua luminosità, che Joyce e colleghi calcolarono pari a $87\,000$ volte la luminosità solare ¹³.

Resta un unico parametro che rimane inconciliabile con qualsiasi simulazione e modello stellare: la velocità di rotazione. I dati spettroscopici indicano, infatti, che Betelgeuse ruota a una velocità di almeno $5\,\text{km}$ al secondo, incredibilmente elevata per una supergigante, la cui velocità di rotazione tipica non dovrebbe superare $0{,}1\,\text{km}$ al secondo. Per ora, l’unica spiegazione plausibile è che Betelgeuse abbia accresciuto la propria velocità di rotazione in seguito a un trasferimento di momento angolare, causato dalla fusione con un’ipotetica compagna binaria, impietosamente inghiottita dalla supergigante rossa.

Destino finale#

Data la sua notevole massa, il destino finale che attende Betelgeuse è già scritto: si compirà con una titanica esplosione di supernova (del tipo II o da collasso del nucleo). Quando ciò accadrà è molto meno chiaro. Tutto dipenderà dalla perdita di massa a cui la stella andrà incontro durante le turbolente fasi finali della sua esistenza, un fattore che al momento non è dato conoscere con precisione.

Live fast, die young#

I parametri fisici di Betelgeuse#

La questione dei parametri fisici di Betelgeuse è molto complessa e non può dirsi risolta una volta per tutta dalle simulazioni astrofisiche di cui abbiamo parlato nei paragrafi precedenti. Vale la pena di approfondire meglio la questione.

Cosa sostiene attualmente la fusione nucleare#

Betelgeuse si trova attualmente nella fase di supergigante rossa, uno stadio evolutivo tipico di stelle con massa compresa tra le $10$ e le $40$ masse solari, caratterizzato da un’enorme espansione dell’involucro stellare in risposta ai cambiamenti nei processi di generazione dell’energia avvenuti dopo l’uscita dalla sequenza principale. C’è un consenso piuttosto ampio tra gli astronomi riguardo il fatto che Betelgeuse stia ascendendo ora per la prima volta il ramo delle supergiganti. Ciò vuol dire che la produzione di energia al suo interno è sostenuta dalla fusione nucleare dell’elio in carbonio e ossigeno, che avviene nel nucleo della stella, e dell’idrogeno in elio, che si verifica in un guscio esterno al nucleo.

Classificazione#

Dal punto di vista della classificazione stellare, Betelgeuse è stata catalogata, a partire dall’introduzione del sistema Morgan-Keenan, con i tipi spettrali M1-M2Ia-Iab. La variabilità nell’attribuzione del tipo rispecchia l’intrinseca variabilità della stella e del suo spettro. Le caratteristiche generali sono in ogni caso quelle di una supergigante rossa luminosa.

Massa#

Un elemento di notevole incertezza riguarda la massa. Nonostante molte ricerche e alcune tentate identificazioni, non è mai stata confermata l’esistenza di una compagna binaria della supergigante (ma ci stiamo avvicinando, come vedremo fra poco). Ciò rende impossibile ricavare la massa dai parametri orbitali per mezzo delle formule della gravità newtoniana. Dunque, l’unico modo per stimare la massa di Betelgeuse è quello di usare appositi modelli di evoluzione stellare, per trovare la traccia evolutiva che meglio si adatta alle caratteristiche osservabili della stella.

Usando appunto dei modelli di evoluzione stellare, Michelle M. Dolan e altri avevano calcolato nel 2008 una massa pari a $16 \pm 2$ masse solari. La stessa Dolan insieme ad altri autori pubblicò nel 2016 sull’Astrophysical Journal un successivo studio su Betelgeuse, in cui, insieme a una nuova stima della massa, veniva tracciata una completa carta d’identità della stella, mettendo insieme tutti i parametri fisici possibili, sia quelli ricavati direttamente dall’osservazione sia quelli desunti dai modelli di evoluzione stellare. Dolan e colleghi stimarono una massa iniziale, all’approdo sulla sequenza principale, di $20$ masse solari con un margine d’incertezza di $+5$ e $−3$ masse solari.

La tabella dei parametri stellari#

Di seguito l’elenco dei principali parametri di Betelgeuse definiti in quello studio:

L’elemento che risalta di più da questa tabella è la differenza di luminosità tra il valore calcolato nello studio pubblicato a ottobre 2020 da Joyce e colleghi, pari a $87\,000$ volte la luminosità solare, e quello molto più alto (circa $126\,000\, L_{\odot}$) ricavato da Dolan e colleghi. Un’ennesima dimostrazione di quanto siano imprecise e fluttuanti le informazioni che abbiamo su una stella così luminosa come Betelgeuse.

In ogni caso, i parametri stellari riportati nella tabella precedente ci fanno comprendere che razza di “mostro” sia Betelgeuse. Con un diametro compreso tra $1$ e $1{,}5$ miliardi di chilometri, se si trovasse al posto del Sole, la sua fotosfera raggiungerebbe quasi l’orbita di Giove. Con una luminosità oltre $125\,000$ volte maggiore di quella del Sole, la Terra dovrebbe trovarsi a $55$ miliardi di chilometri da Betelgeuse, cioè a una distanza di quasi $370$ unità astronomiche ¹⁵, per ricevere la stessa quantità di radiazione che riceve attualmente dal Sole.

Anche la perdita di massa annuale di Betelgeuse è impressionante, intorno a otto ordini di grandezza maggiore di quella del Sole. La supergigante rossa disperde attraverso il suo vento stellare circa $2$ milionesimi di massa solare all’anno. Questo valore, espresso in milionesimi, può dare l’impressione che si tratti di una quantità trascurabile, ma due milionesimi di massa solare corrispondono a poco meno di $4\times10^{24}\,\text{kg}$, cioè al $66\%$ della massa del nostro pianeta. Vuol dire che in soli tre anni Betelgeuse disperde nello spazio circumstellare una quantità di materia pari a due pianeti come la Terra!

Insomma, tutto ciò che riguarda Betelgeuse è sovradimensionato rispetto ai parametri tipici con cui gli astronomi misurano le stelle, che sono tarati — ovviamente — sulle caratteristiche del Sole. La moneta con cui si paga una simile potenza è il tempo: la supergigante rossa ha avuto ed ha poco tempo a sua disposizione. Sta consumando la sua enorme riserva di combustibile nucleare a un ritmo forsennato, immensamente più veloce di quello del Sole. È per questo che, con un’età di soli $8{,}5$ milioni di anni, $537$ volte minore dell’età del Sole (che è di $4{,}57$ miliardi di anni), Betelgeuse è già prossima alla fine, che avverrà attraverso una distruttiva esplosione di supernova.

La fine di Betelgeuse#

Nel nucleo di Betelgeuse si stanno accumulando grandi quantità di carbonio e ossigeno, cioè i prodotti della fusione dell’elio. In base ai modelli di evoluzione stellare, la frazione di carbonio e ossigeno assomma attualmente al $40–50\%$ della massa del nucleo, di cui occupa la parte più interna, corrispondente a circa tre masse solari. Qui la densità ha raggiunto il livello di $1\,000\,\text{g/cm}^3$, a fronte dei $150\,\text{g/cm}^3$ al centro del Sole. La temperatura del nucleo è nell’ordine dei $100$ milioni di $\text{K}$, contro i $15{,}6$ milioni di $\text{K}$ del nucleo solare.

La regione più esterna del nucleo è occupata invece dalla frazione di elio residua, che incide per altre tre masse solari. Quando anche quest’elio sarà stato consumato e convertito in carbonio e ossigeno, Betelgeuse sarà allora davvero a un passo dalla fine. Avrà inizio a quel punto un breve periodo, della durata di qualche migliaio di anni al massimo, in cui l’enorme pressione e temperatura del nucleo innescheranno la fusione del carbonio, poi quella del neon, dell’ossigeno e infine del silicio.

Consumato anche il silicio, le reazioni termonucleari si interromperanno. Seguirà il rapidissimo collasso gravitazionale del nucleo e, di rimbalzo, l’esplosione di supernova, che disintegrerà gli strati esterni della stella lanciandoli ad altissima velocità nello spazio. Di Betelgeuse resterà solo un residuo piccolissimo e ultra-compatto: una stella di neutroni con una massa di circa $1,5$ masse solari.

La supernova#

L’esplosione di supernova libererà un’energia immensa: $2{,}0\times 10^{46}$ joule in neutrini e $2{,}0\times10^{44}$ joule di pura energia cinetica. La luce abbagliante dell’esplosione, osservata dalla Terra, raggiungerà una magnitudine visuale approssimativa di $−12{,}4$, il che significa che la supernova rischiarerà il cielo con una luce più brillante della Luna piena. Una pioggia di raggi X e di raggi gamma investirà la Terra, ma non sarà così potente da penetrare l’atmosfera.

L’onda d’urto si diffonderà invece molto più lentamente e raggiungerà il Sistema Solare solo $6$ milioni di anni dopo l’esplosione. Le particelle di plasma provenienti da Betelgeuse comprimeranno allora l’eliosfera, ma non riusciranno ad aprirsi un varco fino alla Terra: i calcoli indicano che raggiungeranno un punto di stagnazione con il vento solare all’incirca a $2,5$ unità astronomiche dal Sole, cioè ben oltre l’orbita terrestre.

Insomma, la fine violenta di Betelgeuse non costituirà un pericolo per la vita sul nostro pianeta. Vista da qui sarà solo un grandioso spettacolo celeste e un’incredibile fonte di conoscenza per gli astronomi di un futuro piuttosto lontano. Già, perché l’esplosione di Betelgeuse non sembra affatto imminente, nonostante l’improvvisa perdita di luminosità avvenuta tra la fine del 2019 e l’inizio del 2020. Secondo la previsione di Dolan e colleghi, la supergigante rossa esploderà fra circa $100\,000$ anni, millennio più millennio meno. Non è una buona notizia per chi sperava di assistere in diretta a un grande spettacolo naturale, ma in termini astronomici si tratta di un’inezia, quasi un battito di ciglia.

Come fa a ruotare così velocemente?#

L’idea di usare i modelli di evoluzione stellare per cercare di capire a che punto del suo “ciclo vitale” si trovi attualmente Betelgeuse ovviamente non è un’esclusiva del gruppo di Michelle Dolan. La stessa operazione è stata effettuata, per esempio, anche da un altro gruppo di ricercatori, guidato da J. Craig Wheeler, un professore dell’Università del Texas a Austin, già presidente dell’American Astronomical Society.

Lo studio del team di Wheeler, pubblicato a novembre 2016 su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, riportava l’analisi di una serie di tracce evolutive di Betelgeuse create per valori di massa iniziale compresi tra $15$ e $25$ masse solari. Gli autori avevano usato a tal fine il già citato software MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics), che è lo standard di riferimento per questo tipo di ricerche.

La velocità di rotazione#

La differenza con lo studio analizzato in precedenza è che stavolta l’evoluzione di Betelgeuse fu modellata tenendo conto anche dell’effetto della rotazione.

Il valore utilizzato per la velocità di rotazione era quello derivato da osservazioni spettroscopiche compiute negli anni ’90 tramite Hubble. Dall’entità dell’effetto Doppler misurato nel corso di quelle osservazioni, fu desunto che Betelgeuse ruota all’equatore con una velocità di ben $15\,\text{km/s}$. È tantissimo, considerando, per esempio, che la velocità di rotazione equatoriale del Sole, che è una stella molto più piccola di Betelgeuse, è di poco più di $2\,\text{km/s}$.

Le dimensioni contano molto in questo caso. Ogni stella possiede alla nascita una sua tipica velocità di rotazione, che deriva dalla conservazione del momento angolare della materia orbitante nel disco da cui la stella si formò. Quando una stella esce dalla sequenza principale ed evolve allo stadio di gigante rossa o, addirittura, a quello di supergigante rossa come Betelgeuse, le sue dimensioni aumentano in modo spropositato. Per la medesima legge di conservazione del momento angolare, a mano a mano che il volume stellare aumenta, la velocità di rotazione deve diminuire. È lo stesso principio per cui una pattinatrice sul ghiaccio che piroetta su se stessa allarga le braccia per rallentare o le abbassa lungo i fianchi per accelerare la propria rotazione.

Tutte le tracce evolutive prodotte dal gruppo di Wheeler tenendo conto della rotazione di Betelgeuse hanno prodotto come risultato che, nella fase attuale di supergigante rossa, la stella dovrebbe ruotare lentissimamente, con una velocità intorno a $0{,}1\,\text{km/s}$. Questo valore è pressoché indipendente da quella che era la velocità di rotazione iniziale di Betelgeuse all’epoca in cui approdò sulla sequenza principale. Se anche avesse ruotato allora quasi alla velocità di rottura, l’enorme aumento di dimensioni raggiunto attualmente avrebbe dovuto farla rallentare fino, appunto, a $0{,}1\,\text{km/s}$. Ma i dati spettroscopici indicano invece che la stella ruota $150$ volte più velocemente di così. Come è possibile? Si tratta di un vero e proprio enigma astrofisico.

Una possibile spiegazione è che i dati osservativi sulla rotazione di Betelgeuse siano clamorosamente sbagliati ¹⁶. È possibile, per esempio, che l’effetto Doppler osservato non riguardasse la fotosfera della stella ma materiale circumstellare espulso in precedenza. Un’altra possibilità è che MESA e altri software analoghi trattino la fisica degli strati interni di una stella in modo sbagliato o approssimativo, non valutando adeguatamente l’effetto della viscosità.

Un’ulteriore possibilità è che noi stiamo osservando oggi Betelgeuse proprio mentre si trova nel pieno di una brevissima fase di transizione della durata massima di un migliaio di anni, in cui il nucleo stellare sta trasferendo il suo momento angolare agli strati esterni. Ma una simile coincidenza è estremamente improbabile; inoltre, la traccia evolutiva in cui ciò si verifica implica una gravità superficiale di Betelgeuse molto maggiore di quella effettivamente desunta dalle osservazioni.

Una precisazione sulla velocità di rotazione#

Il lettore o la lettrice attenti avranno notato che il periodo di rotazione di Betelgeuse torna in questo racconto più volte e con valori molto diversi tra loro: $8{,}4$ anni nella tabella di Dolan, $17$ anni nelle stime ricavate dalle osservazioni di Hubble del 1995, $36 \pm 8$ anni secondo Kervella e colleghi.

Il fatto è che il periodo di rotazione non è mai una misura diretta: si ricava dalla formula $P = 2\pi R / v_{eq}$​, combinando due grandezze — il raggio $R$ della stella e la sua velocità equatoriale $v_{eq}$​ — che sono esse stesse tra i parametri più incerti di tutta l’astrofisica di Betelgeuse (come abbiamo visto, il solo raggio oscilla, a seconda degli studi, tra $500$ e oltre $1\,100$ raggi solari).

A complicare ulteriormente le cose, la velocità equatoriale non è quasi mai misurata direttamente: la spettroscopia classica fornisce solo la componente proiettata lungo la linea di vista, $v \sin i$, e per risalire alla velocità equatoriale reale occorre assumere un angolo d’inclinazione $i$ dell’asse di rotazione, un’assunzione che cambia da uno studio all’altro.

Le osservazioni condotte con ALMA da Kervella e colleghi fanno parzialmente eccezione, perché misurano il gradiente Doppler direttamente sul disco stellare risolto, senza dover ricorrere del tutto alla classica deproiezione spettroscopica: per questo il loro valore, pur restando dichiaratamente un limite minimo, è generalmente considerato il più solido tra quelli oggi disponibili. In ogni caso, qualunque sia il valore “vero” tra questi tre, tutti restano nettamente più brevi di quanto i modelli evolutivi standard prevedano per una stella delle dimensioni di Betelgeuse. La sua rotazione è dunque nettamente più veloce di quanto dovrebbe essere: è questo lo scarto che conta, non la differenza tra $8$, $17$ o $36$ anni.

Cannibalismo stellare#

C’è però un altro modo di spiegare l’altissima velocità di rotazione. E se Betelgeuse avesse avuto una compagna binaria e se la fosse “mangiata”? È questa nella sua essenza l’ipotesi teorica proposta da Wheeler e dal suo team.

I calcoli eseguiti lavorando su tale ipotesi indicano che un’eventuale compagna da circa una massa solare, orbitante a una distanza pari al raggio attuale di Betelgeuse, sarebbe finita “ingoiata”, una volta che la supergigante rossa avesse raggiunto le dimensioni correnti. In tal modo, il momento angolare della compagna inghiottita sarebbe stato trasferito a Betelgeuse.

Ciò spiegherebbe dunque l’origine dell’altissima velocità di rotazione calcolata per la gigante morente. Ma esiste qualche prova osservativa che confermi questa spericolata ipotesi? In effetti sì.

Se Betelgeuse ha davvero inghiottito in passato una stella di massa simile a quella del Sole, allora di questo cataclisma cosmico devono essere rimaste delle tracce, visibili sotto forma di materia espulsa nello spazio circumstellare, scaraventata via dalla frizione generata dall’evento di fusione.

A tal proposito, esiste un’immagine di Betelgeuse pubblicata nel 2013, acquisita nell’infrarosso dal telescopio spaziale Herschel dell’ESA. Quest’immagine, riprodotta di seguito, mostra chiaramente un grande arco di materia che precede Betelgeuse nella direzione del moto.

L’arco è stato interpretato finora come un’onda d’urto prodotta dal vento stellare di Betelgeuse, che comprime il gas e le polveri diffuse nel mezzo interstellare mentre la stella avanza percorrendo la sua orbita galattica. Ma Wheeler e il suo team proposero un’ipotesi alternativa: l’arco potrebbe essere piuttosto l’effetto visibile del “pasto” compiuto da Betelgeuse ai danni di una sfortunata compagna binaria. Quell’arco sarebbe formato, cioè, dalla materia degli strati esterni stellari sparata via all’atto della fusione, materia allontanatasi nel frattempo fino a raggiungere la distanza alla quale l’arco è stato osservato dal telescopio spaziale Herschel. Ipotizzando una velocità di espulsione intorno a $10\,\text{km/s}$, l’arco di detriti si troverebbe nella posizione attuale, se la fusione tra le due stelle fosse avvenuta circa $100\,000$ anni fa.

Più internamente all’arco visibile sulla sinistra, l’immagine mostra anche un anello di materia a soli $4$ minuti d’arco da Betelgeuse. Se fosse invece questo anello interno la testimonianza dell’ipotetico banchetto stellare, l’evento di fusione dovrebbe allora essere post-datato a soli $24\,000$ anni fa.

In entrambi i casi, resta non spiegata un’altra caratteristica visibile nell’immagine di Herschel: una sorta di “muro” orizzontale di gas e polveri che appare sulla sinistra del grande arco. Potrebbe trattarsi di materia interstellare che non ha nulla a che fare con Betelgeuse e che appare lì solo per uno scherzo della prospettiva, essendo in realtà più vicina (o più lontana) dalla Terra rispetto alla stella. Non lo sappiamo, come non sappiamo se l’ipotesi di Wheeler corrisponda oppure no a ciò che è realmente accaduto.

Quel che è certo è che nessuna supergigante rossa può ruotare così velocemente come sembra stia facendo Betelgeuse senza una buona ragione.

Finalmente, la compagna binaria!#

Due stelle o tre stelle?#

In apertura di questa parte dedicata alla candidata compagna binaria di Betelgeuse, vale la pena di chiarire il rapporto tra l’ipotesi del cannibalismo stellare descritta più sopra e la compagna binaria di cui parleremo in questa sezione: non si tratta della stessa stella, né le due ipotesi sono automaticamente equivalenti. Wheeler e colleghi immaginavano una terza stella, di massa simile a quella del Sole, letteralmente inghiottita e fusa con Betelgeuse circa $100\,000$ anni fa, un evento che, per definizione, non avrebbe lasciato alcuna compagna superstite.

Betelgeuse B, al contrario, la stella vicina a Betelgeuse appena scoperta, è un oggetto realmente esistente, con un’orbita apparentemente stabile di circa sei anni e una massa ben maggiore di quella ipotizzata da Wheeler per la stella “divorata”. Le due ipotesi restano dunque logicamente distinte, e in linea di principio potrebbero perfino coesistere: un sistema inizialmente triplo, in cui una componente sia stata inghiottita mentre un’altra sopravvive tuttora, non è impossibile.

Gli studi più recenti sulla natura dello LSP, tuttavia, propongono per l’anomala rotazione di Betelgeuse una spiegazione alternativa e più parsimoniosa: non una fusione avvenuta in un lontano passato con una stella oggi scomparsa, ma un’interazione mareale tuttora in corso con la compagna binaria, che trasferirebbe gradualmente momento angolare alla supergigante senza che sia mai avvenuta una vera fusione. Non esiste oggi un modo definitivo per scegliere tra le due ipotesi, ma la scoperta di una compagna visibile, se verrà confermata, rende quest’ultima spiegazione — quella che non richiede di postulare una terza stella ormai scomparsa — quantomeno la più economica dal punto di vista esplicativo.

Fatta questa doverosa precisazione, eccoci pronti dunque ad affrontare quest’ultimo capitolo della complicata storia di Betelgeuse.

Il primo indizio visibile della compagna#

Sia i periodi di pulsazione di Betelgeuse sia le sue variazioni di velocità radiale sia i dati astrometrici lasciavano supporre che, nascosta dalla luce abbagliante della stella, vi fosse una compagna binaria con un periodo orbitale di circa $6$ anni. Ma, anche spingendo i più potenti telescopi e interferometri al massimo delle loro possibilità, non era stato possibile, almeno fino a tempi recentissimi, trovare tracce inequivocabili della presenza di questa ipotetica sorella minore della supergigante rossa.

Le cose cominciarono a cambiare con la pubblicazione a luglio 2025 di uno studio di Steve B. Howell e colleghi su The Astrophysical Journal Letters. Gli autori avevano osservato Betelgeuse con il telescopio Gemini Nord da $8,1$ metri nel 2020 e nel 2024. L’osservazione del 2020 coincise con il fenomeno del Grande Oscuramento (di cui abbiamo parlato all’inizio dell’articolo) e ovviamente non videro nulla. Ma l’osservazione del 2024 fu più fruttuosa. Nel punto che coincideva, in base ai calcoli, alla massima elongazione¹⁷ dell’ipotetica compagna da Betelgeuse, corrispondente a circa $52$ millesimi di secondo d’arco, essi osservarono un oggetto più fioco di Betelgeuse di approssimativamente $6$ magnitudini alla lunghezza d’onda di $466\,\text{nm}$. Il grado di certezza della rilevazione era tuttavia modesto: $1,5\, \sigma$, molto meno del valore statistico che serve per proclamare una scoperta scientifica, che è di $5\,\sigma$.

Una prova più chiara, quasi innegabile#

La massima elongazione dell’ipotetica compagna di Betelgeuse era prevista per dicembre 2024 come risultato dell’analisi del cosiddetto LSP (long secondary period), un periodo di pulsazione di Betelgeuse della durata di oltre $2\,000$ giorni, difficile da spiegare con meccanismi fisici interni alla stella.

Altri gruppi di ricerca, dunque, si preparano a sfruttare quella finestra osservativa per cogliere un’immagine diretta della compagna. La massima elongazione è infatti il punto in cui un oggetto orbitante intorno a un corpo centrale raggiunge la massima distanza angolare rispetto all’osservatore terrestre. Pertanto, nel caso di una stella brillantissima come Betelgeuse, la maggiore distanza angolare favorisce la possibilità di mascherare nei limiti del possibile il bagliore della supergigante, alimentando la speranza di cogliere la luce diretta dell’eventuale compagna binaria.

Seguendo questo progetto, Miguel Mortagès e colleghi osservarono Betelgeuse nella notte del 6 dicembre 2024, usando una complessa tecnica basata sulle ottiche adattive del Very Large Telescope in Cile.

Lo studio con i risultati dell’osservazione, pubblicato a luglio 2026 su Astronomy & Astrophysics, parla esplicitamente di immagini della candidata compagna di Betelgeuse. Nel gergo degli scienziati, significa che una stella vicino a Betelgeuse è stata osservata con certezza, ma non sappiamo ancora se si trova lì solo per caso, per motivi prospettici, o se è legata gravitazionalmente alla supergigante.

Per sciogliere questo dubbio, come spiegano gli autori dello studio, bisognerà aspettare che la stella transiti dall’altra parte di Betelgeuse e consenta di ricostruire i suoi parametri orbitali.

Betelgeuse B#

Quello che si può affermare per ora è che, dopo un minuzioso lavoro di elaborazione delle immagini per sottrarre la luminosità abbagliante di Betelgeuse, è stata vista con chiarezza una stella, chiamata provvisoriamente Betelgeuse B, che si trova a $52{,}32 \pm 0{,}18\,\text{mas}$ dalla supergigante, con un angolo di posizione di $117,12 \pm 0,60^{\circ}$. Non si tratta, tra l’altro, di una stella insignificante. Ha una massa stimata compresa tra $2,6$ e $3{,}1\,M_{\odot}$ ed è classificata tentativamente con un tipo spettrale tra B8,5V e B9,5V, tipico di stelle calde e molto luminose. Se è coeva della supergigante, è una giovane stella approdata da poco sulla sequenza principale. Un dato curioso è che Betelgeuse B, appena scoperta, ha già ricevuto un nome ufficiale, Siwarha, che richiama l’etimologia¹⁸ della “sorella” maggiore.

Dando per buona una distanza di $168$ parsec, in accordo con lo studio di Joyce del 2020 citato più sopra, Betelgeuse B, o Siwarha, disterebbe dalla supergigante circa $8{,}80$ unità astronomiche, cioè poco meno di Saturno dal Sole. Il periodo orbitale dovrebbe essere di $6{,}02$ anni, se corrisponde al periodo di pulsazione di Betelgeuse di circa $2\,200$ giorni.

Di certo Betelgeuse B non è una stella fortunata, se è realmente la compagna binaria della supergigante. Quando, infatti, Betelgeuse diventerà una supernova, la compagna sarà investita in pieno da un oceano di radiazioni ionizzanti (UV, raggi X, raggi gamma) emesse alla velocità della luce. Poi, dopo solo qualche ora, arriverà il flusso inarrestabile di particelle cariche emesso dalla stella morente a una frazione significativa della velocità della luce: un vento densissimo di gas e plasma in grado di erodere gli strati esterni della stella, con effetti potenzialmente devastanti.

Le foglie d’oro di Betelgeuse#

Siamo arrivati alla fine di questa lunghissima carrellata su Betelgeuse, nel corso della quale ho raccontato i risultati di decenni di ricerche su questa stella tanto misteriosa quanto affascinante. Chi ha avuto la pazienza di leggere fino a qui, avrà capito che quello che sappiamo è molto, ma, quasi certamente, è molto meno di quello che ancora non sappiamo.

Del resto questa è la natura vera della ricerca scientifica: interrogare di continuo l’Universo, sperando di strappargli brandelli di conoscenza, per raggiungere una visione sempre più organica e completa del mondo intorno a noi.

Ma Betelgeuse, con la sua brillante luce arancio-dorata, non ha ispirato solo generazioni di astronomi, ma anche letterati e poeti. In particolare il poeta di lingua inglese Humbert Wolfe (1885–1940), nato a Milano da madre italiana, che scrisse una poesia dedicata a Betelgeuse, pubblicata nel 1925 ¹⁹. La poesia piacque così tanto, che il testo fu anche musicato dal compositore Gustav Holst nel 1929 (12 Humbert Wolfe Settings, Op. 48).

Mi sembra affascinante concludere questo lungo racconto scientifico con una nota poetica. Mi azzardo pertanto a tradurre in italiano i versi di Wolfe, lasciando l’originale inglese in nota²⁰. Mi scuso in anticipo per l’incauta invasione di un campo che non è propriamente il mio:

Su Betelgeuse
le foglie d’oro pendono in viali dorati
per duecento milioni di miglia,
e per duecento milioni di anni
splendono d’oro mentre nulla si muove,
su Betelgeuse.

Lo spazio è un vento che
non soffia su Betelgeuse,
e il tempo — oh, il tempo — è un uccello
le cui ali non hanno mai agitato
i viali dorati di foglie,
su Betelgeuse.

Su Betelgeuse
non v’è nulla che rallegri o addolori
l’immobile moltitudine di foglie
né fantasma di bene o di male
assilla la moltitudine d’oro
su Betelgeuse.

E nascita e morte non hanno
luogo su Betelgeuse,
e quel Dio, di cui noi siamo
polvere infinita, lassù
è solo una singola foglia
tra le foglie d’oro di Betelgeuse.