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我曾在晴朗的夜空下，望著獵戶(hù)座，期盼參宿四的爆炸?！翱禳c(diǎn)爆炸吧！”在2019年年末，發(fā)生了一件前所未有的事件——參宿四變暗了，視星等降低1.6級(jí)到最亮?xí)r的1/3亮度。天文學(xué)家想知道“這次事件是不是參宿四變成超新星的前兆”。如果能親眼目睹參宿四爆炸的時(shí)刻，那將是多么美妙！恒星隨著一道閃光而爆炸，散射出能夠形成上百萬(wàn)顆行星、衛(wèi)星甚至是生命的物質(zhì)。多么富有創(chuàng)造性的“大災(zāi)難”啊！

在有跡可尋的歷史中，只有大約十顆超新星能夠被肉眼觀(guān)測(cè)到?，F(xiàn)在我們可以用望遠(yuǎn)鏡重溫古老的天文記錄，發(fā)現(xiàn)超新星遺跡，比如輝煌的SN 1006（在公元1006年目睹），它的爆炸創(chuàng)造了天空中有史以來(lái)最亮的天體之一。不幸的是，最新的研究表明，我們大家可能還要再等10萬(wàn)年才能看到參宿四的爆炸。然而，對(duì)最近的參宿四變暗現(xiàn)象的研究收集到了有關(guān)參宿四的新信息，這可能有助于我們更好地理解處于超新星前狀態(tài)的星體。

這張對(duì)比圖展示了參宿四在空前的變暗前后的情況。

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參宿四，又名獵戶(hù)座阿爾法星，是一顆紅色超巨星。它的名字來(lái)源于阿拉伯語(yǔ) "bat al-jawz'"，翻譯過(guò)來(lái)就是 "巨人的肩膀"，因?yàn)檫@顆恒星形成了獵戶(hù)座的左肩（可能是復(fù)制人 "羅伊 "在電影《霹靂游俠》中 "雨中淚 "的獨(dú)白中提到的）。恒星的一生都在努力利用自身能量的外向力來(lái)平衡自身重力的內(nèi)向擠壓力--這種狀態(tài)被稱(chēng)為靜水平衡。這種平衡的任何破壞都會(huì)引起恒星的變化--有些是戲劇性的，有些則是災(zāi)難性的。

獵戶(hù)座了穿透了由月光撞擊高空冰晶而形成的"月亮光環(huán)"。其中盤(pán)旋的恒星就是參宿四。你可以勉強(qiáng)辨認(rèn)出這顆恒星是淡紅色的。c. 馬修·西莫內(nèi)重力既是一顆恒星的開(kāi)始，也是一顆恒星的結(jié)束。重力提取原材料，星際空隙中產(chǎn)生氫氣，并將其粉碎在一起。氫氣壓縮和加熱后，在恒星核心（我們的太陽(yáng)核心占其半徑的1/4）中發(fā)生核聚變，將能量向外輻射到恒星的外層。只要一顆恒星有氫氣的供應(yīng)，它就能支撐自己的重量，實(shí)現(xiàn)一個(gè)恒星的平衡。一旦燃料耗盡，重力將會(huì)使這顆恒星迎來(lái)一個(gè)極其慘烈的結(jié)束。恒星在氫芯燃燒的階段被認(rèn)為是"主序列"——赫茲普龍-魯塞爾（HR）中的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。 （下圖）

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維基百科用戶(hù)魯爾宿司改編的赫茲普龍-魯塞爾圖像幫助我們?nèi)绾胃鶕?jù)Y軸亮度大小、顏色以及光譜類(lèi)型明確特定恒星的生命階段。在這個(gè)圖像上，所有燃燒氫氣的恒星都會(huì)落在S型中心“主序列”上。這也是一顆恒星的黃金成年階段。我們的太陽(yáng)作為一個(gè)G級(jí)的“黃矮星”落在“主序列”上，一直燃燒著氫氣并將持續(xù)約幾十億年或更久(所以千萬(wàn)不要購(gòu)買(mǎi)太陽(yáng)保險(xiǎn)哦)。但是，一旦恒星核中的氫氣燃料枯竭，平衡就被打破。能量流失變緩而重力開(kāi)始撕裂恒星核心。與此同時(shí)恒星獲得重生，盡管以一種新的方式。

恒星核心的變形使得核心溫度增加。攀升的溫度向外輻射到一直停留在核心外地層的氫源上,這些地層以前溫度太冷而不能實(shí)現(xiàn)聚變。這種在核心外的氫氣現(xiàn)在被點(diǎn)燃,但是這種較近層的燃燒造成恒星膨脹。當(dāng)外層地層向外擴(kuò)展時(shí),恒星的表面也越遠(yuǎn)離核心,并分散在更大的區(qū)域?qū)е卤砻胬鋮s,然后恒星顏色變成紅色(恒星溫度越低越紅,越高越藍(lán))。恒星進(jìn)化成一顆紅巨星(或者紅色的超巨星,非常巨大、明亮的恒星)。如果恒星質(zhì)量足夠的大,核心升高的溫度同樣也會(huì)點(diǎn)燃氦氣,這些氦氣是在燃燒氫氣產(chǎn)生的副產(chǎn)品而累計(jì)的。一旦氫氣燃燒殆盡,氦氣在對(duì)抗重力的激烈戰(zhàn)役中會(huì)成為次要的"緊急"燃料供用。

錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)觀(guān)測(cè)到這顆恒星的星云殘骸產(chǎn)生的超新星100。這次超新星爆發(fā)在距地球7200光年的地方發(fā)生。這個(gè)在公元1006年被觀(guān)測(cè)到的星體創(chuàng)造了人類(lèi)歷史上見(jiàn)到的最亮的光芒。

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史密森學(xué)會(huì)。作為一顆紅巨星，這顆星星在赫羅圖上的位置移動(dòng)到了主星序的S分支上生長(zhǎng)的巨星家族之一。他現(xiàn)在更加的明亮（在赫羅圖Y軸上更高）和更紅（X軸上更靠右）。這就是我們區(qū)分M類(lèi)紅矮星和M類(lèi)紅巨星的方法。一顆紅巨星可能和紅矮星在X軸上具有同樣的顏色，但是紅巨星可能會(huì)更加的明亮并且因此在Y軸上巨星支上更高。像參宿四這樣的紅巨星正處于生命的最后階段。這并不一定說(shuō)明他們已經(jīng)存在了很長(zhǎng)的時(shí)間——僅僅是他們處于生命中最后的階段。參宿四的壽命只有太陽(yáng)的一小部分，盡管它的質(zhì)量要大得多。人們認(rèn)為大的星星等同于更多的燃料去燃燒然而星星就像兩頭燃燒的蠟燭。為了使蠟燭極大的質(zhì)量保持平衡，他們?nèi)紵龤湓氐乃俣葘?huì)比低質(zhì)量的同類(lèi)更加迅速得多。

呼吸之星

但參宿四尚未實(shí)現(xiàn)新的穩(wěn)定平衡。這顆恒星正在亮度上發(fā)生變化并且因此被歸類(lèi)為一顆"變星"。了解參宿四亮度變化的原因或"模式"會(huì)使研究人員能夠去確定它的幾個(gè)關(guān)鍵物理特征——這是澳大利亞國(guó)立大學(xué)的梅雷迪斯·喬伊斯博士、加州理工學(xué)院的梁成智博士和赫特福德郡大學(xué)的齊亞基·小林博士最近的出版物的重點(diǎn)。

參宿四還在變暗！ —弗雷澤·凱恩的《今日宇宙》視頻。一顆恒星的變異要么是外在的，要么是內(nèi)在的。外在變異是由于外部原因而導(dǎo)致的亮度變化。食雙星是一個(gè)常見(jiàn)的外在變異現(xiàn)象，因?yàn)橐活w恒星阻擋了來(lái)自伴星的光。而內(nèi)在變異是由恒星內(nèi)部的某種東西引起的。受到參宿四在2019年年底突然變暗的啟發(fā)，最近有關(guān)參宿四的研究試圖確定這種現(xiàn)象在自然界中是內(nèi)在的還是外在的原因引起的。對(duì)參宿四常規(guī)脈沖的最新觀(guān)測(cè)使得研究者能夠肯定變異的首要原因是“卡帕機(jī)制”，它打破了這顆恒星的平衡，從根本上導(dǎo)致了參宿四如同一呼一吸般在大小和亮度上的膨脹和收縮。

圖一來(lái)自喬伊斯2020:來(lái)自20多年前的參宿四的"呼吸"

請(qǐng)注意2019.C.ESO/M.蒙塔格斯等人貝特爾蓋斯的史無(wú)前例的亮度下降,作者描述道。那么什么是“卡帕機(jī)制”?恒星充滿(mǎn)著電離氣體。當(dāng)你在恒星中過(guò)度加熱時(shí),電子從氫原子中撕裂,這是電離過(guò)程: 讓恒星變成了一碗渾濁的湯,滿(mǎn)是自由游離的電子,稱(chēng)為等離子體。等離子體組成了99%的可見(jiàn)宇宙(我們這種非電離的等離子體物質(zhì)事實(shí)上是稀有空間)。

然而，電離作用在整個(gè)恒星中并不均勻，而是存在于不同的部分電離作用層中。部分電離氫的一個(gè)關(guān)鍵特征是，與周?chē)膶酉啾?，被壓縮的氫變得更難傳導(dǎo)。當(dāng)能量要從恒星內(nèi)核轉(zhuǎn)移到表層時(shí)，這些難以傳導(dǎo)的部分電離氫層可以隔絕并吸收這些能量。在主序星中，被吸收的能量要將那些不傳導(dǎo)層向上推，但上面有太多的恒星密集物質(zhì)而導(dǎo)致其無(wú)法移動(dòng)。最終被吸收的能量找到向表面轉(zhuǎn)移的其它路徑，或者不均勻的電離作用在恒星的翻騰中得到均衡。

為什么紅巨星在擴(kuò)張—弗雷澤·凱恩的《今日宇宙》視頻。然而，當(dāng)一顆恒星擴(kuò)張成紅巨星時(shí)，這些不透明的部分電離層升到更靠近恒星表面的地方，在那里它們能夠更自由地移動(dòng)。當(dāng)足夠的能量被困在這不透明的絕緣氣體下面時(shí)，移動(dòng)更加自由的電離層被迫向上，向外撐恒星的表面，導(dǎo)致了恒星的進(jìn)一步膨脹。隨著電離層的擴(kuò)張，它們不那么扁平和不透明了，變得對(duì)能量更加透明，這讓被困住的能量能夠穿過(guò)恒星表面進(jìn)入太空。丟失了能量的電離層動(dòng)量減少，向恒星內(nèi)部回落，又重新在恒星表面之下變得扁平和不透明。試想一下，它就像是是電水壺上的蒸汽閥。當(dāng)足夠的蒸汽聚集時(shí)，蒸汽閥會(huì)被頂起來(lái)，蒸汽跑出來(lái)之后，蒸汽閥就會(huì)落下來(lái)并關(guān)閉。隨著每次脈沖，恒星的半徑和亮度都會(huì)發(fā)生變化。這些不透明的部分電離氣體在引發(fā)恒星脈沖活動(dòng)的功能就是卡帕機(jī)制。該循環(huán)的原理如下：

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向紅巨星演化觸發(fā)K機(jī)制

當(dāng)恒星中心區(qū)域的氫燃燒完后，會(huì)發(fā)生膨脹成為一顆紅巨星

膨脹導(dǎo)致部分電離層上升到恒星內(nèi)部的淺表層

隨著恒星表面向外膨脹，動(dòng)量被帶走，當(dāng)超過(guò)恒星的引力平衡處后，膨脹減速后又回落

K循環(huán)機(jī)制

恒星表面下落導(dǎo)致表層的部分電離氫被壓縮，導(dǎo)致表面不透明度增大，能量無(wú)法逃出。

在部分電離層的不透明度到達(dá)最大值前，恒星持續(xù)收縮。最終，不透明層下的能量超過(guò)了探索的動(dòng)量

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該半徑處是恒星最致密的地方，且這一刻是循環(huán)中最熱和最亮的時(shí)刻。

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被壓縮的不透明層停止下落，且由于不透明層下的能量超過(guò)引力所以導(dǎo)致表面再次擴(kuò)張

擴(kuò)張的不透明層再次推著恒星表面膨脹。然后不透明層逐漸變得沒(méi)有那末致密，能量可以逃離。當(dāng)膨脹到一定程度時(shí)，恒星成為循環(huán)中最冷和最黯淡的。

恒星的外層最總失去動(dòng)量然后回落，回到step4開(kāi)始再一次循環(huán)

想象一下，你在一個(gè)體積是太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍的紅超巨星的表面附近徘徊，并且觀(guān)察它外層的膨脹和收縮。這顆星星的表面每秒居然可以移動(dòng)一公里！每年這個(gè)龐然大物都會(huì)深呼吸，造成表面的劇烈變化。

研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)建模確定了K機(jī)制是導(dǎo)致參宿四得的亮度有一個(gè)416天循環(huán)或周期的原因。但是，虛擬模型無(wú)法重現(xiàn)研究小組在恒星本身上觀(guān)察到的第二個(gè)185天和更長(zhǎng)的2365天。K機(jī)制可能與恒星其他固有的特質(zhì)相互作用，從而使恒星的變化性產(chǎn)生另一個(gè)模式。因此，研究人員推論，參宿四是一個(gè)雙模變星。

較短的185天周期被歸類(lèi)為恒星脈動(dòng)中的“諧波”?！安ā边@個(gè)詞很貼切，因?yàn)榇┻^(guò)恒星的波紋本質(zhì)上是攪動(dòng)等離子體而產(chǎn)生的聲波。2365天是長(zhǎng)次周期（LSP）。另外兩個(gè)周期的起源尚不明確。研究人員鼓勵(lì)未來(lái)開(kāi)發(fā)更精密的計(jì)算機(jī)模型，以進(jìn)一步探索這顆恒星的其他周期。

我試著用美國(guó)航天局熔巖燈來(lái)演示K機(jī)制——馬修·西蒙尼

在赫羅圖上有一塊非常狹窄的區(qū)域，其中有變星存在，被稱(chēng)為“不穩(wěn)定帶”。有可能隨著一些恒星的年齡增長(zhǎng)，它們會(huì)通過(guò)這條不穩(wěn)定帶演化，直到到達(dá)另一邊，形成一個(gè)新的平衡點(diǎn)，在那里，脈動(dòng)模式減弱或脈沖放大，直到恒星將其外層完全剝離。

由于參宿四仍處于脈動(dòng)中，研究人員確定，這顆恒星很可能早就處于向紅超巨星轉(zhuǎn)變的氦燃燒階段，并可能繼續(xù)燃燒10萬(wàn)年，直到無(wú)法平衡引力，坍縮成超新星。

狹窄的“不穩(wěn)定帶“，在其中存在變星。 ——維基百科用戶(hù)Rursus

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參宿四的脈動(dòng)讓研究人員獲得了關(guān)于恒星一般特點(diǎn)的其他信息，例如恒星的半徑。我們知道脈動(dòng)經(jīng)過(guò)恒星需要一定的時(shí)間來(lái)表示脈動(dòng)周期。研究人員一般能夠計(jì)算出脈沖波的速度（給定的參宿四密度的“聲音”的速度）并且使用周期時(shí)間來(lái)確定他們已經(jīng)在恒星中移動(dòng)的距離。使用這些計(jì)算，參宿四已經(jīng)根據(jù)之前測(cè)量中的66%的數(shù)據(jù)更新到764個(gè)太陽(yáng)半徑（是太陽(yáng)半徑的764倍）。

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像天文學(xué)多米諾骨牌一樣，每一條關(guān)于參宿四的補(bǔ)充信息都對(duì)我們觀(guān)察它的其他特點(diǎn)提供了重要的視角。通過(guò)更新后的半徑信息，我們可以根據(jù)參宿四在夜空中的展現(xiàn)的“寬度”重新計(jì)算它離我們的距離。更小的恒星半徑證明了我們與這顆紅超巨星的距離小于之前認(rèn)為的530光年遠(yuǎn)。即使距離比原來(lái)的計(jì)算近了25%，它在爆發(fā)的情況下也還是會(huì)因?yàn)樘h(yuǎn)而無(wú)法對(duì)我們?cè)斐筛矞?。這是個(gè)好消息。

最后，研究人員還為我們這一鄰近巨星測(cè)量了質(zhì)量?，F(xiàn)在我們有了對(duì)參宿四向太空中損失自己的質(zhì)量有了一個(gè)基本的認(rèn)知——大概每百萬(wàn)年就有一個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量的物質(zhì)被吹入了太空中。研究人員模擬了參宿四還是一顆年輕主序星時(shí)多種不同“祖星”或起始質(zhì)量來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)模擬一直進(jìn)行著直到后來(lái)發(fā)現(xiàn)這顆恒星存在卡帕機(jī)制的脈動(dòng)。參宿四在16.5-19個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)的結(jié)果發(fā)生了偏移，也就是18-21個(gè)前身恒星的質(zhì)量。這些模擬也有力證實(shí)了參宿四僅僅有七百萬(wàn)到一千一百萬(wàn)年的壽命。試想一下——參宿四只有我們太陽(yáng)的壽命的千分之一卻即將爆炸，那是個(gè)怎樣的場(chǎng)景。參宿四這一類(lèi)恒星就是宇宙長(zhǎng)河中稍縱即逝的火花。

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有了有關(guān)參宿四的所有新信息，我們?nèi)匀挥幸粋€(gè)謎團(tuán)。什么導(dǎo)致了2019年年末的變暗現(xiàn)象？如果參宿四在壯烈死亡之前尚有千年的壽命，發(fā)生了什么？?jī)蓚€(gè)可能的答案：參宿四的多種變異模式的組合排列起來(lái)加劇了平常變異的變暗。就像是向一個(gè)水池中投入多塊石頭，有時(shí)波浪可以合并產(chǎn)生更大的波浪，或者實(shí)際上相互抵消。我們可能已經(jīng)目睹了這種現(xiàn)象。或者，另一種原因，大片的塵云臨時(shí)移動(dòng)到我們和參宿四之間，遮住了此星的一部分光芒——一個(gè)外在而非內(nèi)在的變暗事件。

盡管我們的太陽(yáng)在其圍繞銀河運(yùn)動(dòng)的漫長(zhǎng)旅程中可能已經(jīng)看過(guò)了很多恒星爆發(fā)，超新星對(duì)我們有限的人類(lèi)壽命來(lái)說(shuō)是很令人驚奇的。參宿四的爆發(fā)將足以明亮到在晚上投下陰影。甚至可能在白天都可見(jiàn)。此爆發(fā)將在接下來(lái)的幾個(gè)月消逝。一年之后，獵戶(hù)座的肩膀?qū)⒉辉偃庋劭梢?jiàn)。那時(shí)我可能已經(jīng)不在了，但是有人會(huì)在。我們可能認(rèn)為我們自己很無(wú)常，但是天空自己也是這樣——恒星們就像雨中的眼淚一樣消逝在太空和時(shí)間的迷霧中。

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圖片中是銀河系NGC4526的超新星1994D. 超新星很明亮以至于能觀(guān)察到他們?cè)谶b遠(yuǎn)銀河系中的爆發(fā)——這一顆是在5500萬(wàn)光年之外。超新星可能會(huì)比其所在的整個(gè)銀河系更加明亮——最后的光輝，版權(quán)所有：NASA/Hubble/ESA。

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BY：MATTHEW CIMONE

FY：Astronomical volunteer team

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