
參宿四是一團沸騰的氣體。(圖片鳴謝:阿爾瑪(埃索/納奧伊/NRAO)/e·奧格曼/p·克韋拉)
(神秘的地球uux.cn)據美國太空網(Tereza Pultarova):參宿四是夜空中最亮的恒星之一,也是天文學家已知的最大的恒星之一。
參宿四形成了獵戶座的左肩,是一顆所謂的紅巨星,一顆處於生命最後階段的恒星,這有時會引發人們猜測它可能很快爆炸成為超新星。
參宿四距離地球約650光年,也被稱為獵戶座阿爾法星,通常在夜空中排名第十。然而,這顆恒星以其周期性的變暗和變亮而聞名,這有時會使它在排名中有所上升或下降。
天文學家認為參宿四隻有1000萬年的曆史,比我們的太陽年輕50倍。盡管參宿四相對年輕,但其核心的氫燃料已經耗盡,現在處於其生命的最後紅巨星階段,將氦融合成碳。
參宿四的生命周期
參宿四快節奏生活的原因是它可能生來就非常龐大。據《科學警報》(ScienceAlert)報道,參宿四曾經是一顆藍白色O型星,是主序中質量最大的一種,燃氫星。恒星越大,發出的光越亮,燃燒的溫度越高。而且它耗盡氫的速度越快,就越快變成紅巨星。
在其全盛時期,參宿四的質量肯定是我們太陽的幾十倍,亮度也是我們太陽的幾十到幾百倍。與太陽“不冷不熱”的10,000華氏度(5,500攝氏度)相比,它表麵的溫度可能已經達到令人難以置信的89,500華氏度(50,000攝氏度)。
在參宿四耗盡氫並開始燃燒氦之後,它的外殼膨脹得遠遠超過了原來的大小。今天,參宿四是已知最大的恒星之一,直徑超過7億英裏(12億公裏)。如果參宿四取代太陽成為太陽係的中心,它將一直延伸到木星。另一方麵,這顆恒星不再像過去那樣熱了。在華氏5800度(攝氏3300度)的溫度下,參宿四的表麵現在比太陽表麵更冷。然而,根據美國宇航局的說法,這顆恒星比我們的恒星亮7500到14000倍。
哈佛大學研究參宿四的理論天體物理學博士後摩根·麥克勞德告訴《Space.com》說,由於其巨大的體積和相對接近地球,參宿四是極少數可以通過地球上和軌道上的望遠鏡進行更詳細研究的恒星之一
麥克勞德說:“除了我們的太陽,大多數恒星根本無法進行任何細節的研究。”“我們隻把它們看作點光源。但是參宿四足夠大,我們可以用哈勃太空望遠鏡和射電望遠鏡來分辨它。”
這些圖像揭示了一個非常不同於我們太陽的驚人天體。參宿四不是一個光滑的超高溫等離子體球體,而是一團沸騰的氣泡,其中一些氣泡有一顆小恒星那麽大。巨大的熾熱物質從參宿四的核心上升到表麵,然後冷卻並消失在內部。這就像大劑量類固醇下的太陽周期。
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2019年,參宿四突然以前所未見的方式變暗。(圖片來源:ESO/M. Montargès等人)
參宿四的巨大昏暗
近年來,參宿四因為其行為變得有些古怪而成為頭條新聞。幾個世紀以來,天文學家觀察到參宿四的亮度以400天為一個有規律的周期消長,上升到0.3的量級,然後變暗到大約0.8(量級是衡量恒星亮度的一個指標,與實際觀察到的亮度成對數反比,因此數字越低,物體越亮。例如,在其最亮時,金星的亮度約為-4.6)。
但在2019年12月,這顆恒星突然變得比以往任何時候都暗2.5倍。這一事件的起因被稱為“大變暗”,後來被追溯到恒星內部物質的大量排出,產生了巨大的塵埃雲,隨後遮蔽了我們對恒星的觀察。
盡管塵埃雲已經消散,參宿四也恢複了往常的亮度,但這顆恒星已經不再是原來的它了。其400天的亮度振蕩周期已經減半至200天,最重要的是,在2023年春天,這顆恒星開始變亮,超過其通常的峰值光度。

借助現代望遠鏡,天文學家每晚都能觀測到幾次超新星爆炸。然而,大多數都太遠了。參宿四超新星會有所不同。(圖片來源:M. Weiss/NASA/CXC via Getty Images)
參宿四超新星
參宿四的古怪行為引發了人們的猜測,認為它可能很快會爆炸成為超新星。超新星爆炸是大質量恒星的絕唱。在消耗完核心中的所有氦之後,紅巨星開始將碳和氧燃燒成氖和鎂,然後將它們燃燒成矽。最終,恒星的核心充滿了鐵。這就是煙火開始的時候。
“給鐵原子添加氦核實際上是提取能量,而不是釋放能量,”麥克勞德說。“所以突然間,恒星的中心開始吸收能量,而不是釋放巨大能量的反應。當這種變化發生時,恒星的中心會從內向外塌縮,這就導致了我們所說的核心塌縮超新星。”
超新星爆炸如此明亮,以至於它們短暫地超越了整個星係。借助目前靈敏的望遠鏡,天文學家可以在宇宙最遙遠的地方發現超新星。一夜之內可以探測到多次這樣的爆炸,但是大多數爆炸都離我們太遠了,我們這些凡人無法注意到。
參宿四超新星會有所不同。由於恒星離得很近,爆炸會非常明亮,即使在白天也能看到。
“當它發生時,這顆恒星將變得像滿月一樣明亮,隻是它將集中在一個點上,”巴黎天文台空間研究和天體物理儀器實驗室的博士後研究員兼參宿四專家Miguel Montargès告訴Space。“在大約兩個月的時間裏,它會非常明亮,如果你關閉一個城市的所有燈,並且沒有雲,你就可以在超新星的光線下看書。”

參宿四是獵戶座中第二亮的星,(圖片來源:艾倫·戴爾/大眾圖片/環球圖片集團通過蓋蒂圖片)
在我們有生之年,參宿四變成超新星的可能性有多大?
有了這樣一個奇觀的承諾,難怪天文學家希望參宿四死掉。上一次我們銀河係中的大質量恒星變成超新星是在著名天文學家約翰尼斯·開普勒的時代。根據曆史記錄,SN 1604超新星,也被稱為開普勒超新星,在白天的天空中明亮地照耀了三周,
但是大多數研究參宿四的天文學家降低了期望值。根據最被接受的模型,這顆恒星隻是處於紅巨星生命的早期階段,正在愉快地融合氦,距離爆炸還有數萬年的時間。
“氦燃燒階段長達幾十萬年,”蒙塔格說。“然後下一個階段會持續一萬年,然後幾千年,然後是一個世紀,最後一個階段隻是爆炸前的幾天和幾小時。”
雖然參宿四足夠近,天文學家可以研究其大氣的化學成分,但沒有現有的儀器可以窺視恒星的核心,看看它是否真的融合了氦,或者已經融合了碳和氧。蒙塔格說,因此大多數關於參宿四狀態的假設都是基於對其他紅巨星的觀察
例如,另一顆被稱為VY CMa的銀河係紅巨星,距離地球3900光年,位於犬星座,被認為比參宿四更接近死亡時刻。但與明亮的參宿四不同,在過去的100年裏,這顆恒星一直在變暗。
“一百年前,VY CMa曾經是肉眼可見的,”Montargès說,“但是它排出了如此多的物質,以至於我們現在隻能在紅外線下才能看到它。當恒星接近超新星爆發時,我們預期會看到這種物質的排出。VY CMa已經去除了大約60%的原始物質,而參宿四仍然有95%的原始物質
這位天文學家補充說,根據曆史記錄,直到2000年前,參宿四曾被描述為一顆黃色的星星,當時詩人開始將其描述為紅色。蒙塔格認為,這可能表明參宿四隻是處於紅巨星的早期階段。
如何觀察參宿四
參宿四是天空中第十亮的星,即使在光汙染最嚴重的城市也很容易找到和觀察。在北半球和南半球的冬季,獵戶座照亮了夜空。這個星座最明顯的特征是由三顆明亮的星星組成的帶。在它們的上方是三角形,應該是獵戶座的頭和肩。左邊略帶紅色的星是參宿四,是該星座第二亮的星。
專家解答的參宿四常見問題
我們問了天體物理學家摩根·麥克勞德一些關於參宿四的常見問題。
摩根·麥克勞德哈佛大學天體物理學家
摩根·麥克勞德是哈佛史密森天體物理中心的天體物理學家。他利用計算建模和模擬方法研究恒星和恒星係統。
為什麽天文學家對參宿四感興趣?
參宿四是一顆神奇的恒星。這是獵戶座的一個肩膀,所以當我們抬頭看獵戶座時,它就在我們麵前。除了太陽之外,大多數恒星我們實際上看不到任何細節,我們隻是把它們看作點光源。但是參宿四在我們的天空中足夠大,我們可以用哈勃太空望遠鏡和射電望遠鏡來分辨它。我們在這些圖像中看到的是這顆恒星是凹凸不平的。它不是一個完美的球體。就是這種塊狀沸騰的東西,那些塊狀物的大小和恒星差不多。
我們看到參宿四內部正在發生強烈的對流。整個恒星本質上以一種極端的方式沸騰著。我們在太陽上看到對流,但是與太陽的大小相比,太陽的對流胞實在是太小了。參宿四的沸騰程度完全不同。
你認為參宿四會很快變成超新星嗎?
我們最好的模型表明參宿四離最終爆炸還有一段相對較長的時間。因此,如果這些模型是正確的,我們談論的是數萬年或者十萬年。
在超新星爆發的其他恒星中,我們看到了類似於參宿四的階段。有明亮和暗淡的爆發,這表明我們在參宿四看到的這種難以置信的強烈和暴力的對流是一些紅色超巨星超新星爆炸的一部分。
但我們也認為,在恒星爆炸之前,它可能會持續相當長的一段時間。天文學家想知道答案的一個問題是,是否有任何跡象表明一顆恒星距離爆炸成為超新星還有一年、十年或一千年?現在,我們隻是不知道。但這也是為什麽我們如此詳細地研究參宿四的部分原因,因為我們認為它是那種經曆了那種進化路徑的恒星的一個例子,並且它是(這種恒星的)最接近的例子,所以我們有機會解析它在天空中的結構並以令人難以置信的細節研究它。
關於參宿四的大昏暗你知道些什麽?
2019年的變暗是天文學家跟蹤參宿四亮度的100多年來最重要的一次。這顆恒星在幾個月的時間裏變暗,然後又變亮,接近正常水平。但在那之後,我們注意到這顆恒星通常的脈動周期從400天變成了200天。
我們想了解這兩件事之間的聯係。所以我們用計算機模擬研究了這一過程,我們發現最有可能的是,在參宿四沸騰的內部,兩個真正大的流體團以一種特別戲劇性的方式相遇,這種情況可能一個世紀才發生一次。那次碰撞將大量的物質送到了地表,並在它前麵產生了衝擊波。當這團物質到達地表時,一些物質從地表噴發出來,但與此同時,內部開始塌陷。所以本質上,恒星的外部和內部變得不同步,我們認為這導致了脈動周期的變化。
你認為參宿四在未來幾年會發生什麽?
我們認為,在未來的五到十年內,它將回到400天周期的變暗和變亮。