Betelgeuse going Critical

English

Title: Early Warning Signals Indicate a Critical Transition in Betelgeuse

Authors: Sandip V George , Sneha Kachhara , Ranjeev Misra , and G. Ambika

First Author’s Institution: University Medical Center Groningen (UMCG), Department of Psychiatry, Interdisciplinary Center Psychopathology and Emotion regulation (ICPE), The Netherlands

Status: Published in Astronomy & Astrophysics [open access]

If I personally had one free astronomy wish, it would be for Betelgeuse to go supernova during my lifetime. 

Betelgeuse may explode any moment, between now and a 100 000 years from now. Which is almost the same as ‘now’ in astrophysical terms. Of course, in human lifespan terms, the chances of me witnessing this great event are slim.

Nonetheless, Betelgeuse caused quite a fuss in 2019, when it suddenly dimmed so much that the difference was noticeable to the naked eye (see Fig. 1). Later, it began brightening again. 
One specific explanation of dust blocking off part of the star’s light in our direction has since manifested itself. 

Fig. 1: Betelgeuse’s normal brightness (left) and its dimmed appearance in early 2020 (right) (Credit: H. Raab, Wikimedia)

Large Stars, Short Lives

Compared to our sun, Betelgeuse truly is a giant. It’s radius is somewhere between 600 to 880 times larger than the sun and if Betelgeuse were our host star in place of the sun, the orbit of Jupiter would still be below its surface. 

But, while outdoing our local star in almost every aspect, there is one way our sun comes out on top: age. Betelgeuse is merely 8 million years old and already considered a case for the stellar grim reaper. For comparison, the sun has existed for around 4 billion years and is thought to be at roughly the half point of its life. 

The size of Betelgeuse causes the fuel necessary for the nuclear fusion inside it to be used up quicker and forebodes a violent end, when its massive gravitational forces win the struggle against the radiation energy and come crashing down. This violent death of massive stars such as Betelgeuse is called a supernova.  

Early Warning

The authors of today’s paper have taken a look at the long term development of Betelgeuse, from the beginning of modern observations of the star in the 1980s. 

Early warnings for an impending change within a dynamical system (stars are no unvarying objects, they are subjected to constant changes and motion within them) can be noted when observing the long term light curve of an object preceding an event, in this case, the dimming episode. 

Previous works have pointed out that if dust were responsible, there should have been an excess of infrared light observed close to the dimming as well as a reduction in polarized light due to it passing the dust. Both conditions could not be met according to detailed measurements and analysis. 

Any dynamical system can exist in several possible states. These states evolve in a specific pattern and exist for a particular parameter combination. Certain transitions between states- called critical transitions-involve major changes to the dynamical behaviour of the system. They may be caused by only small changes to the parameters of the system.

The authors argue that the dimming event could have occurred due to a critical transition in the pulsation dynamics of Betelgeuse. This means that the nature of the system dynamics underwent a drastic change. 

Winds of Change

Other works have shown that several quantities of a time series (such as the light curve) increase leading up to a critical transition of the system. Three of these quantities explored in this work are the autocorrelation, the variance and the so-called detrended fluctuation analysis (DFA). If the change in Betelgeuse’s brightness was indeed due to a critical transition in pulsation dynamics, then that should be imprinted on these quantifiers.

Autocorrelation is, simply speaking, the similarity of a signal observed at different times as a function of the time lag between them. This allows for the detection of repeating patterns, such as periodic signals which would otherwise be buried by noise. 
The variance measures the scatter of the data points around their mean value. 
The DFA initially turns the data into a cumulative (so each measurement added on top of the previous) amplitude time series. The root mean square of the deviation is the fluctuation of the linear trend and is expected to rise as a power-law with respect to time. The exponent of this is called the Hurst exponent . 

Examining these three quantifiers has also been applied in fields outside astronomy, such as ecology, engineering and psychiatry. The authors of today’s paper thus come from a diverse set of fields, including medicine, complex systems, physics and astrophysics, to optimally apply expertise. 

Since there is a large number of gaps within the data between 1980 and 1990, the trends for the autocorrelation, variance, and ⍺ are analyzed for the data from 1990 onwards. The resulting plots are shown in Fig. 2.

Fig. 2: Autocorrelation Function, variance and Hurst exponent of Betelgeuse’s light curve over time. Indicated in gray are measurements before 1990, in green after 1990.
(Fig. 1 in the author’s paper)

For all three quantifiers, the values increase over time before the dimming event begins.  This implies that a dynamical transition within Betelgeuse led to the decreasing subsequently increasing brightness in 2019/2020. 

Other works point out another possible dimming event in the mid to late 1980s, which might explain the change of the general trend of the quantifiers at that point. 
Further analysis based on the number of repeating states of the system, how deterministic the dynamics appear to be and the extent of laminar (i.e. non-turbulent) phases has been conducted by the authors. These measures show again a gradual increase leading up to the dimming phase. 

A new Era for Betelgeuse

The authors conclude that the signature of the impending change in the dynamic system of Betelgeuse had been observable a long time preceding the event. 

While there is evidence against a dust cloud being responsible for the dimming of Betelgeuse, it has also been shown before that the effective temperature of the star was not decreased significantly during the event, which most likely eliminates convection driven dimming, i.e. a temporary cooler period of the surface. 

The authors stress that the final remaining option is a change in the pulsation dynamics of Betelgeuse, causing the 2019-2020 change in brightness. 
It is still not proven decisively what caused the dimming, but the authors mention that such a critical transition would imply lasting changes for the system, detectable in the future. Thus, continuous observation of Betelgeuse could give us important new information and help to solve this puzzle. 

Betelgeuse is the 10th brightest star in our night sky, so easy to spot. I would suggest, keep an eye on it. Just in case.

Astrobite edited by Alex Gough
Featured Image Credits: NASA / ESA / E. Wheatley / STScI, H. Raab (Wikimedia), today’s paper

German

Titel: Early Warning Signals Indicate a Critical Transition in Betelgeuse

Autor:innen:  Sandip V George , Sneha Kachhara , Ranjeev Misra , and G. Ambika

Institut des Erstautors: University Medical Center Groningen (UMCG), Department of Psychiatry, Interdisciplinary Center Psychopathology and Emotion regulation (ICPE), Niederlande

Status: Veröffentlicht in Astronomy & Astrophysics [open access]

Wenn ich persönlich einen astronomischen Wunsch frei hätte, dann wäre er, dass Beteigeuze noch zu meinen Lebzeiten zur Supernova wird.

Beteigeuze könnte jeden Moment explodieren, zwischen jetzt und in 100 000 Jahren. Das ist für Astrophysiker:innen fast dasselbe wie “jetzt”. Natürlich sind die Chancen, dass ich dieses große Ereignis miterleben werde, gemessen an der menschlichen Lebensspanne, gering.

Nichtsdestotrotz sorgte Beteigeuze im Jahr 2019 für Aufsehen, als er plötzlich so stark abdunkelte, dass der Unterschied mit bloßem Auge erkennbar war (siehe Abb. 1). Später wurde er kontinuierlich wieder heller.
Die Erklärung, dass Staub einen Teil des Lichts des Sterns in unsere Richtung abblockte, hat sich seitdem etabliert. 

Abb. 1: Beteigeuzes normale Helligkeit (links) und seine Verdunkelung Anfang 2020 (rechts) (Quelle: H. Raab, Wikimedia)

Große Sterne, kurzes Leben

Verglichen mit unserer Sonne ist Beteigeuze wirklich ein Riese. Sein Radius ist zwischen 600 und 880 Mal größer als der der Sonne, und wäre Beteigeuze an deren Stelle, würde sich die Umlaufbahn des Jupiters immer noch unterhalb seiner Oberfläche befinden.

Aber obwohl er unseren Heimatstern in fast allen Aspekten übertrifft, gibt es eine Kategorie, in der unsere Sonne die Nase vorn hat: das Alter. Beteigeuze ist gerade einmal 8 Millionen Jahre alt und gilt bereits als Fall für den stellaren Sensenmann. Zum Vergleich: Die Sonne existiert seit rund 4 Milliarden Jahren und befindet sich vermutlich etwa in der Halbzeit ihres Lebens.

Die Größe von Beteigeuze führt dazu, dass der für die Kernfusion in seinem Inneren notwendige Brennstoff schneller verbraucht ist, und lässt ein gewaltsames Ende vorausahnen, wenn seine massiven Gravitationskräfte den Kampf gegen die Strahlungsenergie gewinnen und er kollabiert. Dieser gewaltsame Tod von massereichen Sternen wie Beteigeuze wird als Supernova bezeichnet.

Vorwarnung

Die Autor:innen des heutigen papers haben einen Blick auf die langfristige Entwicklung von Beteigeuze geworfen, vom Beginn der modernen Beobachtungen des Sterns in den 1980er Jahren an.

Frühwarnungen für eine bevorstehende Veränderung innerhalb eines dynamischen Systems (Sterne sind keine statischen Objekte, sie sind ständigen Veränderungen und inneren Bewegungen unterworfen) lassen sich erkennen, wenn man lange Zeit die Lichtkurve eines Objekts vor einem Ereignis, in diesem Fall der Verdunkelungsepisode, beobachtet.
Frühere Arbeiten haben darauf hingewiesen, dass, wenn Staub dafür verantwortlich wäre, ein Überschuss an infrarotem Licht nahe der Verdunkelung sowie eine Verringerung des polarisierten Lichts aufgrund des Durchgangs durch den Staub hätte beobachtet werden müssen. Beide Bedingungen konnten nach detaillierten Messungen und Analysen nicht erfüllt werden.

Jedes dynamische System kann in mehreren möglichen Zuständen existieren. Diese Zustände entwickeln sich nach einem bestimmten Muster und existieren für eine bestimmte Parameterkombination. Bestimmte Übergänge zwischen den Zuständen – kritische Übergänge genannt – bedeuten große Änderungen im dynamischen Verhalten des Systems. Sie können durch nur kleine Veränderungen der Parametern des Systems verursacht werden.

Die Autor:innen argumentieren, dass das Verdunkelungsereignis aufgrund eines kritischen Übergangs in der Pulsationsdynamik von Beteigeuze aufgetreten sein könnte. Das bedeutet, dass die Natur der Systemdynamik eine drastische Änderung erfuhr.

Zeiten des Wandels

Andere Arbeiten haben gezeigt, dass mehrere Größen einer Zeitreihe (wie z. B. die Lichtkurve), die auf einen kritischen Übergang des Systems zugeht, zunehmen. Drei dieser Größen, die in dieser Arbeit untersucht werden, sind die Autokorrelation, die Varianz und die sogenannte Detrended Fluctuation Analysis (DFA). Wenn die Veränderung der Helligkeit von Beteigeuze tatsächlich auf einen kritischen Übergang in der Pulsationsdynamik zurückzuführen ist, dann sollte sich das in diesen Größen niederschlagen.

Die Autokorrelation ist, einfach ausgedrückt, die Ähnlichkeit eines zu verschiedenen Zeiten beobachteten Signals als Funktion des zeitlichen Abstands dazwischen. Dies ermöglicht die Herausarbeitung von sich wiederholenden Mustern, wie z. B. periodischen Signalen, die sonst vom Rauschen überdeckt werden würden.
Die Varianz misst die Streuung der Datenpunkte um ihren Mittelwert.
Die DFA wandelt die Daten zunächst in eine kumulative (also jede Messung wird zur vorherige addiert) Amplitudenzeitreihe um. Der quadratische Mittelwert der Abweichung ist die Schwankung des linearen Trends und sollte als Potenzgesetz über die Zeit ansteigen. Der Exponent hiervon wird als Hurst-Exponent bezeichnet.

Die Untersuchung dieser drei Quantoren wurde auch in Bereichen außerhalb der Astronomie angewandt, z. B. in der Ökologie, den Ingenieurwissenschaften und der Psychiatrie. Die Autoren der heutigen Arbeit kommen also aus verschiedenen Bereichen, darunter Medizin, komplexe Systeme, Physik und Astrophysik, um ihr Fachwissen optimal einzusetzen.

Da es in den Daten zwischen 1980 und 1990 eine große Anzahl von Lücken gibt, werden die Trends für die Autokorrelation, Varianz und ⍺ für die Daten erst ab 1990 analysiert. Die resultierenden Diagramme sind in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2: Autokorrelationsfunktion, Varianz und Hurst-Exponent der Lichtkurve von Beteigeuze über die Zeit. In grau sind Messungen vor 1990, in grün nach 1990 eingezeichnet.
(Abb. 1 im heutigen paper)

Für alle drei Quantoren steigen die Werte über die Zeit an, bevor die Verdunkelungsepisode beginnt. Dies impliziert, dass ein dynamischer Übergang innerhalb von Beteigeuze zu der abnehmenden und anschließend zunehmenden Helligkeit 2019/2020 führte.
Andere Arbeiten weisen auf ein weiteres mögliches Verdunkelungsereignis Mitte bis Ende der 1980er Jahre hin, was die Änderung des allgemeinen Trends der drei Größen zu diesem Zeitpunkt erklären könnte.

Weitere Analysen, die unter anderem auf der Anzahl der sich wiederholenden Zustände des Systems basieren, wie deterministisch die Dynamik zu sein scheint und das Ausmaß der laminaren (d.h. nicht-turbulenten) Phasen, wurden von den Autoren durchgeführt. Diese Maße zeigen ebenfalls einen allmählichen Anstieg bis zur Verdunkelungsphase.

Eine neue Ära für Beteigeuze

Die Autor:innen kommen zu dem Schluss, dass die Signatur der bevorstehenden Veränderung im dynamischen System von Beteigeuze schon lange vor dem Ereignis zu beobachten war.

Es spricht einiges dagegen, dass eine Staubwolke für die Verdunkelung von Beteigeuze verantwortlich ist, während auch bereits gezeigt wurde, dass die effektive Temperatur des Sterns während des Ereignisses nicht signifikant gesunken ist, was höchstwahrscheinlich ein konvektionsgetriebenes Verdunkeln, also eine vorübergehende Abkühlung der Oberfläche, ausschließt.

Die Autoren betonen, dass die letzte verbleibende Option eine Änderung in der Pulsationsdynamik von Beteigeuze ist, die die Helligkeitsänderung 2019-2020 verursacht.
Es ist noch nicht eindeutig bewiesen, was zur Verdunkelung geführt hat, aber die Autor:innen erwähnen, dass ein solcher kritischer Übergang dauerhafte Veränderungen für das System bedeuten würde, die in der Zukunft nachweisbar wären. Eine kontinuierliche Beobachtung von Beteigeuze könnte uns also wichtige neue Informationen liefern und helfen, dieses Rätsel zu lösen.

Beteigeuze ist der 10. hellste Stern an unserem Nachthimmel, also leicht zu erkennen. Ich würde vorschlagen, ihn im Auge zu behalten. Nur für den Fall der Fälle.

Astrobite korrekturgelesen von Alex Gough
Bildquellen: NASA / ESA / E. Wheatley / STScI, H. Raab (Wikimedia), heutiges paper

About Jana Steuer

I'm a second year PhD student at the LMU Munich, working for the University Observatory (USM), which owns the 2.1m Fraunhofer Telescope Wendelstein. My field of research is exoplanets. I hunt for traces of them in data from big surveys, like the TESS mission and then follow them up, using spectroscopy and photometry. Mainly, I focus on long period planets that may potentially harbor life. When I'm not planet hunting, I act as a DM for several Dungeons and Dragons groups and annoy people with facts from Tolkien's Silmarillion. I enjoy kickboxing and learning about ancient human history.

17 Comments

  1. Way back in the 80’s on the atari 8-bit there was a lil demo of Orion. Can’t remember the program name now, but the video is forever etched in my mind. Depicts an event taking place in the center of the constellation and a large black hole is born, forever tarnishing the constellation. This article brought that memory back to life. Food for thought, eh?

    Reply
  2. Betelgeuse is pregnant about to give birth to its gas giant planets. A new atmosphere grows beneath the old one. The next atmosphere will be orange, hotter smaller. The next atmosphere will give birth to its rocky planets at 8000f. This is just basic physics of hydrogen stars evolution! Speed holds the keys to a stars evolution, too fast or too slow no children!

    Reply
    • Planets are born in circumstellar disks around very young stars. It is currently believed that gas giants, such as Jupiter or Saturn evolve further away from the central star where there is enough gas for them to accrete. Rocky planets, such as Earth or Mars form further inside the disk.
      After Betelgeuse goes supernova, what remains is a very small dense remnant. Since it is believed that the star is not massive enough to form a black hole (at least directly), a neutron star will most likely be what’s left of the giant.

      Reply
      • While that has been the understanding of how gas giants form it conflicts with actual observations. For instance. We’ve seen gas giants that have very close orbits to parent stars and we now call them “hot Jupiter’s” we also know that once a very long time ago Jupiter was once a normal planet kinda like our own but something changed Jupiter into the gas giant we know today.

        Reply
        • Hot Jupiters most likely migrated from further away to the place they are in now. There just isn’t enough material for them to accrete in the inner disk to support an in situ formation. In the solar system, planets have migrated as well in the past. It is thus not uncommon.
          The Juno spacecraft has shown us that Jupiter has a core, maybe that is what you meant. The core is not a solid sphere however. It is ‘fuzzy’ and spreads out far. Check this article out about Juno’s findings: https://knowablemagazine.org/article/physical-world/2020/what-has-juno-learned-about-jupiter

          Reply
  3. LOL! If Betelgeuse is going critical as you claim then it happened over 600 years ago since that’s how long it takes light to reach Earth from that star. Heck, Betelgeuse may have already blown. We are truly talking old news here.

    Reply
      • Astronomically it is most certainly not old news. If the folks recording the motions of the stars zipping around Sagittarius a* publish a video of 16 years of stars nearly getting munched does it disappoint anyone that the light took 20,000 plus years to arrive? No. It comes with the territory. Many stars have already blown themselves to bits and will still not be seen for thousands of years. Waiting for betelguese to blow means waiting for the light proclaiming such an event to get here. If we’re on the ball we might get lucky and capture some neutrinos zipping out of the core several hours (or in this case even a day) before the visible light front plows it’s way out of the conflagration, allowing us to point lots of telescopes on the mark. It would be the blow up of the century. Any minute now….

        Reply
        • Very interesting. I too would hope it goes when I’m alive, but since I’m 70, that may not happen.

          Again, great article. A good read to be sure. O

          Reply
      • I enjoyed reading your bio.
        And you are a good teacher.
        The article dealing with complex concepts was relatively easy to understand.
        I am sure Eru Ilúvatar would be pleased.

        Reply
      • What happens if I say the name three times?

        Reply
  4. Aloha!

    A brilliant assessment – written so the amateur astronomer can easily understand. We look forward to reading future studies that you undertake. We will keep our “eyes” on the lookout. Thank you!

    Reply
  5. Thanks for the great summary!
    Is Betelgeuse visible throughout the entire year in Germany? Don’t think that I ever saw Orion during summer. In that case it’s not just hoping for it to go supernova within our lifetime, but also hoping for it to happen in winter.

    Reply
    • No, Orion is a so-called winter constellation. I just saw Betelgeuse last night, it’s still there but beginning to disappear below the horizon.
      That’s true! But the good thing is, even if we should miss the initial explosion because the constellation is not visible at that moment, Betelgeuse will remain as bright as at least the half-Moon for around three months.

      Reply
      • Fair enough, that leaves more than enough time to switch hemispheres for witnessing it.

        Reply
  6. A bit late in acknowledgement, thank you Jane and astrobites for featuring the paper. As one of the authors (Sneha K.), I appreciate your efforts to present it in an easy-to-follow manner. Nicely summarized! 🙂
    p.s. Betelgeuse seems to be in the limelight again, does not seem to act according to its old patterns. I anticipate more surprises in store!

    Reply

Leave a Reply