参宿四：点燃超新星希望的巨星指南 _参宿四

参宿四是一团沸腾的气体。(图片鸣谢:阿尔玛(埃索/纳奥伊/NRAO)/e·奥格曼/p·克韦拉)
据美国太空网（Tereza Pultarova）：参宿四是夜空中最亮的恒星之一，也是天文学家已知的最大的恒星之一。
参宿四形成了猎户座的左肩，是一颗所谓的红巨星，一颗处于生命最后阶段的恒星，这有时会引发人们猜测它可能很快爆炸成为超新星。
参宿四距离地球约650光年，也被称为猎户座阿尔法星，通常在夜空中排名第十。然而，这颗恒星以其周期性的变暗和变亮而闻名，这有时会使它在排名中有所上升或下降。
天文学家认为参宿四只有1000万年的历史，比我们的太阳年轻50倍。尽管参宿四相对年轻，但其核心的氢燃料已经耗?。?现在处于其生命的最后红巨星阶段，将氦融合成碳。
参宿四的生命周期
参宿四快节奏生活的原因是它可能生来就非常庞大。据《科学警报》(ScienceAlert)报道，参宿四曾经是一颗蓝白色O型星，是主序中质量最大的一种，燃氢星。恒星越大，发出的光越亮，燃烧的温度越高。而且它耗尽氢的速度越快，就越快变成红巨星。
在其全盛时期，参宿四的质量肯定是我们太阳的几十倍，亮度也是我们太阳的几十到几百倍。与太阳“不冷不热”的10，000华氏度(5，500摄氏度)相比，它表面的温度可能已经达到令人难以置信的89 ， 500华氏度(50，000摄氏度) 。
在参宿四耗尽氢并开始燃烧氦之后，它的外壳膨胀得远远超过了原来的大小。今天，参宿四是已知最大的恒星之一，直径超过7亿英里(12亿公里) 。如果参宿四取代太阳成为太阳系的中心，它将一直延伸到木星。另一方面，这颗恒星不再像过去那样热了。在华氏5800度(摄氏3300度)的温度下，参宿四的表面现在比太阳表面更冷。然而，根据美国宇航局的说法，这颗恒星比我们的恒星亮7500到14000倍。
哈佛大学研究参宿四的理论天体物理学博士后摩根·麦克劳德告诉《Space.com》说，由于其巨大的体积和相对接近地球，参宿四是极少数可以通过地球上和轨道上的望远镜进行更详细研究的恒星之一
麦克劳德说:“除了我们的太阳，大多数恒星根本无法进行任何细节的研究。”“我们只把它们看作点光源。但是参宿四足够大，我们可以用哈勃太空望远镜和射电望远镜来分辨它。”
这些图像揭示了一个非常不同于我们太阳的惊人天体。参宿四不是一个光滑的超高温等离子体球体，而是一团沸腾的气泡，其中一些气泡有一颗小恒星那么大。巨大的炽热物质从参宿四的核心上升到表面，然后冷却并消失在内部。这就像大剂量类固醇下的太阳周期。
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2019年，参宿四突然以前所未见的方式变暗。(图片来源:ESO/M. Montargès等人)
参宿四的巨大昏暗
近年来，参宿四因为其行为变得有些古怪而成为头条新闻。几个世纪以来，天文学家观察到参宿四的亮度以400天为一个有规律的周期消长，上升到0.3的量级，然后变暗到大约0.8(量级是衡量恒星亮度的一个指标，与实际观察到的亮度成对数反比，因此数字越低，物体越亮。例如，在其最亮时，金星的亮度约为-4.6) 。
但在2019年12月，这颗恒星突然变得比以往任何时候都暗2.5倍。这一事件的起因被称为“大变暗”，后来被追溯到恒星内部物质的大量排出，产生了巨大的尘埃云，随后遮蔽了我们对恒星的观察。
尽管尘埃云已经消散，参宿四也恢复了往常的亮度，但这颗恒星已经不再是原来的它了。其400天的亮度振荡周期已经减半至200天，最重要的是，在2023年春天，这颗恒星开始变亮，超过其通常的峰值光度。

借助现代望远镜，天文学家每晚都能观测到几次超新星爆炸。然而，大多数都太远了。参宿四超新星会有所不同。(图片来源:M. Weiss/NASA/CXC via Getty Images)
参宿四超新星
参宿四的古怪行为引发了人们的猜测，认为它可能很快会爆炸成为超新星。超新星爆炸是大质量恒星的绝唱。在消耗完核心中的所有氦之后，红巨星开始将碳和氧燃烧成氖和镁，然后将它们燃烧成硅。最终，恒星的核心充满了铁。这就是烟火开始的时候。
“给铁原子添加氦核实际上是提取能量，而不是释放能量，”麦克劳德说。“所以突然间，恒星的中心开始吸收能量，而不是释放巨大能量的反应。当这种变化发生时，恒星的中心会从内向外塌缩，这就导致了我们所说的核心塌缩超新星。”
超新星爆炸如此明亮，以至于它们短暂地超越了整个星系。借助目前灵敏的望远镜，天文学家可以在宇宙最遥远的地方发现超新星。一夜之内可以探测到多次这样的爆炸，但是大多数爆炸都离我们太远了，我们这些凡人无法注意到。
参宿四超新星会有所不同。由于恒星离得很近，爆炸会非常明亮，即使在白天也能看到。
“当它发生时，这颗恒星将变得像满月一样明亮，只是它将集中在一个点上，”巴黎天文台空间研究和天体物理仪器实验室的博士后研究员兼参宿四专家Miguel Montargès告诉Space 。“在大约两个月的时间里，它会非常明亮，如果你关闭一个城市的所有灯，并且没有云，你就可以在超新星的光线下看书。”

参宿四是猎户座中第二亮的星，(图片来源:艾伦·戴尔/大众图片/环球图片集团通过盖蒂图片)
在我们有生之年，参宿四变成超新星的可能性有多大？
有了这样一个奇观的承诺，难怪天文学家希望参宿四死掉。上一次我们银河系中的大质量恒星变成超新星是在著名天文学家约翰尼斯·开普勒的时代。根据历史记录，SN 1604超新星，也被称为开普勒超新星，在白天的天空中明亮地照耀了三周，
但是大多数研究参宿四的天文学家降低了期望值。根据最被接受的模型，这颗恒星只是处于红巨星生命的早期阶段，正在愉快地融合氦，距离爆炸还有数万年的时间。
“氦燃烧阶段长达几十万年，”蒙塔格说。“然后下一个阶段会持续一万年，然后几千年，然后是一个世纪，最后一个阶段只是爆炸前的几天和几小时。”
虽然参宿四足够近，天文学家可以研究其大气的化学成分，但没有现有的仪器可以窥视恒星的核心，看看它是否真的融合了氦，或者已经融合了碳和氧。蒙塔格说，因此大多数关于参宿四状态的假设都是基于对其他红巨星的观察
例如，另一颗被称为VY CMa的银河系红巨星，距离地球3900光年，位于犬星座，被认为比参宿四更接近死亡时刻。但与明亮的参宿四不同，在过去的100年里，这颗恒星一直在变暗。
“一百年前，VY CMa曾经是肉眼可见的，”Montargès说， “但是它排出了如此多的物质，以至于我们现在只能在红外线下才能看到它。当恒星接近超新星爆发时，我们预期会看到这种物质的排出。VY CMa已经去除了大约60%的原始物质，而参宿四仍然有95%的原始物质
这位天文学家补充说，根据历史记录，直到2000年前，参宿四曾被描述为一颗黄色的星星，当时诗人开始将其描述为红色。蒙塔格认为，这可能表明参宿四只是处于红巨星的早期阶段。
如何观察参宿四
参宿四是天空中第十亮的星，即使在光污染最严重的城市也很容易找到和观察。在北半球和南半球的冬季，猎户座照亮了夜空。这个星座最明显的特征是由三颗明亮的星星组成的带。在它们的上方是三角形，应该是猎户座的头和肩。左边略带红色的星是参宿四，是该星座第二亮的星。
专家解答的参宿四常见问题
我们问了天体物理学家摩根·麦克劳德一些关于参宿四的常见问题。
摩根·麦克劳德哈佛大学天体物理学家
摩根·麦克劳德是哈佛史密森天体物理中心的天体物理学家。他利用计算建模和模拟方法研究恒星和恒星系统。
为什么天文学家对参宿四感兴趣？
参宿四是一颗神奇的恒星。这是猎户座的一个肩膀，所以当我们抬头看猎户座时，它就在我们面前。除了太阳之外，大多数恒星我们实际上看不到任何细节，我们只是把它们看作点光源。但是参宿四在我们的天空中足够大，我们可以用哈勃太空望远镜和射电望远镜来分辨它。我们在这些图像中看到的是这颗恒星是凹凸不平的。它不是一个完美的球体。就是这种块状沸腾的东西，那些块状物的大小和恒星差不多。
我们看到参宿四内部正在发生强烈的对流。整个恒星本质上以一种极端的方式沸腾着。我们在太阳上看到对流，但是与太阳的大小相比，太阳的对流胞实在是太小了。参宿四的沸腾程度完全不同。
你认为参宿四会很快变成超新星吗？
我们最好的模型表明参宿四离最终爆炸还有一段相对较长的时间。因此，如果这些模型是正确的，我们谈论的是数万年或者十万年。
在超新星爆发的其他恒星中，我们看到了类似于参宿四的阶段。有明亮和暗淡的爆发，这表明我们在参宿四看到的这种难以置信的强烈和暴力的对流是一些红色超巨星超新星爆炸的一部分。
但我们也认为，在恒星爆炸之前，它可能会持续相当长的一段时间。天文学家想知道答案的一个问题是，是否有任何迹象表明一颗恒星距离爆炸成为超新星还有一年、十年或一千年？现在，我们只是不知道。但这也是为什么我们如此详细地研究参宿四的部分原因，因为我们认为它是那种经历了那种进化路径的恒星的一个例子，并且它是(这种恒星的)最接近的例子，所以我们有机会解析它在天空中的结构并以令人难以置信的细节研究它。
关于参宿四的大昏暗你知道些什么？
2019年的变暗是天文学家跟踪参宿四亮度的100多年来最重要的一次。这颗恒星在几个月的时间里变暗，然后又变亮，接近正常水平。但在那之后，我们注意到这颗恒星通常的脉动周期从400天变成了200天。
我们想了解这两件事之间的联系。所以我们用计算机模拟研究了这一过程，我们发现最有可能的是，在参宿四沸腾的内部，两个真正大的流体团以一种特别戏剧性的方式相遇，这种情况可能一个世纪才发生一次。那次碰撞将大量的物质送到了地表，并在它前面产生了冲击波。当这团物质到达地表时，一些物质从地表喷发出来，但与此同时，内部开始塌陷。所以本质上，恒星的外部和内部变得不同步，我们认为这导致了脉动周期的变化。
你认为参宿四在未来几年会发生什么？
我们认为，在未来的五到十年内，它将回到400天周期的变暗和变亮。