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我曾在晴朗的夜空下 ， 望着猎户座 ， 期盼参宿四的爆炸 。 “快点爆炸吧！”在2019年年末 ， 发生了一件前所未有的事件——参宿四变暗了 ， 视星等降低1.6级到最亮时的1/3亮度 。 天文学家想知道“这次事件是不是参宿四变成超新星的前兆” 。 如果能亲眼目睹参宿四爆炸的时刻 ， 那将是多么美妙！恒星随着一道闪光而爆炸 ， 散射出能够形成上百万颗行星、卫星甚至是生命的物质 。 多么富有创造性的“大灾难”啊！
在有迹可寻的历史中 ， 只有大约十颗超新星能够被肉眼观测到 。 现在我们可以用望远镜重温古老的天文记录 ， 发现超新星遗迹 ， 比如辉煌的SN 1006（在公元1006年目睹） ， 它的爆炸创造了天空中有史以来最亮的天体之一 。 不幸的是 ， 最新的研究表明 ， 我们大家可能还要再等10万年才能看到参宿四的爆炸 。 然而 ， 对最近的参宿四变暗现象的研究收集到了有关参宿四的新信息 ， 这可能有助于我们更好地理解处于超新星前状态的星体 。
这张对比图展示了参宿四在空前的变暗前后的情况 。
在巨人的肩膀上保持平衡
参宿四 ， 又名猎户座阿尔法星 ， 是一颗红色超巨星 。 它的名字来源于阿拉伯语 "bat al-jawz'" ， 翻译过来就是 "巨人的肩膀" ， 因为这颗恒星形成了猎户座的左肩（可能是复制人 "罗伊 "在电影《霹雳游侠》中 "雨中泪 "的独白中提到的） 。 恒星的一生都在努力利用自身能量的外向力来平衡自身重力的内向挤压力--这种状态被称为静水平衡 。 这种平衡的任何破坏都会引起恒星的变化--有些是戏剧性的 ， 有些则是灾难性的 。
猎户座了穿透了由月光撞击高空冰晶而形成的"月亮光环" 。 其中盘旋的恒星就是参宿四 。 你可以勉强辨认出这颗恒星是淡红色的 。 c. 马修·西莫内重力既是一颗恒星的开始 ， 也是一颗恒星的结束 。 重力提取原材料 ， 星际空隙中产生氢气 ， 并将其粉碎在一起 。 氢气压缩和加热后 ， 在恒星核心（我们的太阳核心占其半径的1/4）中发生核聚变 ， 将能量向外辐射到恒星的外层 。 只要一颗恒星有氢气的供应 ， 它就能支撑自己的重量 ， 实现一个恒星的平衡 。 一旦燃料耗尽 ， 重力将会使这颗恒星迎来一个极其惨烈的结束 。 恒星在氢芯燃烧的阶段被认为是"主序列"——赫兹普龙-鲁塞尔（HR）中的一个术语 。 （下图）
维基百科用户鲁尔宿司改编的赫兹普龙-鲁塞尔图像帮助我们如何根据Y轴亮度大小、颜色以及光谱类型明确特定恒星的生命阶段 。 在这个图像上 ， 所有燃烧氢气的恒星都会落在S型中心“主序列”上 。 这也是一颗恒星的黄金成年阶段 。 我们的太阳作为一个G级的“黄矮星”落在“主序列”上 ， 一直燃烧着氢气并将持续约几十亿年或更久(所以千万不要购买太阳保险哦) 。 但是 ， 一旦恒星核中的氢气燃料枯竭 ， 平衡就被打破 。 能量流失变缓而重力开始撕裂恒星核心 。 与此同时恒星获得重生 ， 尽管以一种新的方式 。
恒星核心的变形使得核心温度增加 。 攀升的温度向外辐射到一直停留在核心外地层的氢源上,这些地层以前温度太冷而不能实现聚变 。 这种在核心外的氢气现在被点燃,但是这种较近层的燃烧造成恒星膨胀 。 当外层地层向外扩展时,恒星的表面也越远离核心,并分散在更大的区域导致表面冷却,然后恒星颜色变成红色(恒星温度越低越红,越高越蓝) 。 恒星进化成一颗红巨星(或者红色的超巨星,非常巨大、明亮的恒星) 。 如果恒星质量足够的大,核心升高的温度同样也会点燃氦气,这些氦气是在燃烧氢气产生的副产品而累计的 。 一旦氢气燃烧殆尽,氦气在对抗重力的激烈战役中会成为次要的"紧急"燃料供用 。
钱德拉X射线天文台观测到这颗恒星的星云残骸产生的超新星100 。 这次超新星爆发在距地球7200光年的地方发生 。 这个在公元1006年被观测到的星体创造了人类历史上见到的最亮的光芒 。
史密森学会 。 作为一颗红巨星 ， 这颗星星在赫罗图上的位置移动到了主星序的S分支上生长的巨星家族之一 。 他现在更加的明亮（在赫罗图Y轴上更高）和更红（X轴上更靠右） 。 这就是我们区分M类红矮星和M类红巨星的方法 。 一颗红巨星可能和红矮星在X轴上具有同样的颜色 ， 但是红巨星可能会更加的明亮并且因此在Y轴上巨星支上更高 。 像参宿四这样的红巨星正处于生命的最后阶段 。 这并不一定说明他们已经存在了很长的时间——仅仅是他们处于生命中最后的阶段 。 参宿四的寿命只有太阳的一小部分 ， 尽管它的质量要大得多 。 人们认为大的星星等同于更多的燃料去燃烧然而星星就像两头燃烧的蜡烛 。 为了使蜡烛极大的质量保持平衡 ， 他们燃烧氢元素的速度将会比低质量的同类更加迅速得多 。
呼吸之星
但参宿四尚未实现新的稳定平衡 。 这颗恒星正在亮度上发生变化并且因此被归类为一颗"变星" 。 了解参宿四亮度变化的原因或"模式"会使研究人员能够去确定它的几个关键物理特征——这是澳大利亚国立大学的梅雷迪斯·乔伊斯博士、加州理工学院的梁成智博士和赫特福德郡大学的齐亚基·小林博士最近的出版物的重点 。
参宿四还在变暗！ —弗雷泽·凯恩的《今日宇宙》视频 。 一颗恒星的变异要么是外在的 ， 要么是内在的 。 外在变异是由于外部原因而导致的亮度变化 。 食双星是一个常见的外在变异现象 ， 因为一颗恒星阻挡了来自伴星的光 。 而内在变异是由恒星内部的某种东西引起的 。 受到参宿四在2019年年底突然变暗的启发 ， 最近有关参宿四的研究试图确定这种现象在自然界中是内在的还是外在的原因引起的 。 对参宿四常规脉冲的最新观测使得研究者能够肯定变异的首要原因是“卡帕机制” ， 它打破了这颗恒星的平衡 ， 从根本上导致了参宿四如同一呼一吸般在大小和亮度上的膨胀和收缩 。
图一来自乔伊斯2020:来自20多年前的参宿四的"呼吸"
请注意2019.C.ESO/M.蒙塔格斯等人贝特尔盖斯的史无前例的亮度下降,作者描述道 。 那么什么是“卡帕机制”?恒星充满着电离气体 。 当你在恒星中过度加热时,电子从氢原子中撕裂,这是电离过程: 让恒星变成了一碗浑浊的汤,满是自由游离的电子,称为等离子体 。 等离子体组成了99%的可见宇宙(我们这种非电离的等离子体物质事实上是稀有空间) 。
然而 ， 电离作用在整个恒星中并不均匀 ， 而是存在于不同的部分电离作用层中 。 部分电离氢的一个关键特征是 ， 与周围的层相比 ， 被压缩的氢变得更难传导 。 当能量要从恒星内核转移到表层时 ， 这些难以传导的部分电离氢层可以隔绝并吸收这些能量 。 在主序星中 ， 被吸收的能量要将那些不传导层向上推 ， 但上面有太多的恒星密集物质而导致其无法移动 。 最终被吸收的能量找到向表面转移的其它路径 ， 或者不均匀的电离作用在恒星的翻腾中得到均衡 。
为什么红巨星在扩张—弗雷泽·凯恩的《今日宇宙》视频 。 然而 ， 当一颗恒星扩张成红巨星时 ， 这些不透明的部分电离层升到更靠近恒星表面的地方 ， 在那里它们能够更自由地移动 。 当足够的能量被困在这不透明的绝缘气体下面时 ， 移动更加自由的电离层被迫向上 ， 向外撑恒星的表面 ， 导致了恒星的进一步膨胀 。 随着电离层的扩张 ， 它们不那么扁平和不透明了 ， 变得对能量更加透明 ， 这让被困住的能量能够穿过恒星表面进入太空 。 丢失了能量的电离层动量减少 ， 向恒星内部回落 ， 又重新在恒星表面之下变得扁平和不透明 。 试想一下 ， 它就像是是电水壶上的蒸汽阀 。 当足够的蒸汽聚集时 ， 蒸汽阀会被顶起来 ， 蒸汽跑出来之后 ， 蒸汽阀就会落下来并关闭 。 随着每次脉冲 ， 恒星的半径和亮度都会发生变化 。 这些不透明的部分电离气体在引发恒星脉冲活动的功能就是卡帕机制 。 该循环的原理如下：
向红巨星演化触发K机制
当恒星中心区域的氢燃烧完后 ， 会发生膨胀成为一颗红巨星
膨胀导致部分电离层上升到恒星内部的浅表层
随着恒星表面向外膨胀 ， 动量被带走 ， 当超过恒星的引力平衡处后 ， 膨胀减速后又回落
K循环机制
恒星表面下落导致表层的部分电离氢被压缩 ， 导致表面不透明度增大 ， 能量无法逃出 。
在部分电离层的不透明度到达最大值前 ， 恒星持续收缩 。 最终 ， 不透明层下的能量超过了探索的动量
该半径处是恒星最致密的地方 ， 且这一刻是循环中最热和最亮的时刻 。
被压缩的不透明层停止下落 ， 且由于不透明层下的能量超过引力所以导致表面再次扩张
扩张的不透明层再次推着恒星表面膨胀 。 然后不透明层逐渐变得没有那末致密 ， 能量可以逃离 。 当膨胀到一定程度时 ， 恒星成为循环中最冷和最黯淡的 。
恒星的外层最总失去动量然后回落 ， 回到step4开始再一次循环
想象一下 ， 你在一个体积是太阳的数百万倍的红超巨星的表面附近徘徊 ， 并且观察它外层的膨胀和收缩 。 这颗星星的表面每秒居然可以移动一公里！每年这个庞然大物都会深呼吸 ， 造成表面的剧烈变化 。
研究人员通过计算机建模确定了K机制是导致参宿四得的亮度有一个416天循环或周期的原因 。 但是 ， 虚拟模型无法重现研究小组在恒星本身上观察到的第二个185天和更长的2365天 。 K机制可能与恒星其他固有的特质相互作用 ， 从而使恒星的变化性产生另一个模式 。 因此 ， 研究人员推论 ， 参宿四是一个双模变星 。
较短的185天周期被归类为恒星脉动中的“谐波” 。 “波”这个词很贴切 ， 因为穿过恒星的波纹本质上是搅动等离子体而产生的声波 。 2365天是长次周期（LSP） 。 另外两个周期的起源尚不明确 。 研究人员鼓励未来开发更精密的计算机模型 ， 以进一步探索这颗恒星的其他周期 。
我试着用美国航天局熔岩灯来演示K机制——马修·西蒙尼
在赫罗图上有一块非常狭窄的区域 ， 其中有变星存在 ， 被称为“不稳定带” 。 有可能随着一些恒星的年龄增长 ， 它们会通过这条不稳定带演化 ， 直到到达另一边 ， 形成一个新的平衡点 ， 在那里 ， 脉动模式减弱或脉冲放大 ， 直到恒星将其外层完全剥离 。
由于参宿四仍处于脉动中 ， 研究人员确定 ， 这颗恒星很可能早就处于向红超巨星转变的氦燃烧阶段 ， 并可能继续燃烧10万年 ， 直到无法平衡引力 ， 坍缩成超新星 。
狭窄的“不稳定带“ ， 在其中存在变星 。——维基百科用户Rursus
恒星多米诺的踪迹
参宿四的脉动让研究人员获得了关于恒星一般特点的其他信息 ， 例如恒星的半径 。 我们知道脉动经过恒星需要一定的时间来表示脉动周期 。 研究人员一般能够计算出脉冲波的速度（给定的参宿四密度的“声音”的速度）并且使用周期时间来确定他们已经在恒星中移动的距离 。 使用这些计算 ， 参宿四已经根据之前测量中的66%的数据更新到764个太阳半径（是太阳半径的764倍） 。
像天文学多米诺骨牌一样 ， 每一条关于参宿四的补充信息都对我们观察它的其他特点提供了重要的视角 。 通过更新后的半径信息 ， 我们可以根据参宿四在夜空中的展现的“宽度”重新计算它离我们的距离 。 更小的恒星半径证明了我们与这颗红超巨星的距离小于之前认为的530光年远 。 即使距离比原来的计算近了25% ， 它在爆发的情况下也还是会因为太远而无法对我们造成覆灭 。 这是个好消息 。
最后 ， 研究人员还为我们这一邻近巨星测量了质量 。 现在我们有了对参宿四向太空中损失自己的质量有了一个基本的认知——大概每百万年就有一个太阳的质量的物质被吹入了太空中 。 研究人员模拟了参宿四还是一颗年轻主序星时多种不同“祖星”或起始质量来进行实验 ， 这项模拟一直进行着直到后来发现这颗恒星存在卡帕机制的脉动 。 参宿四在16.5-19个太阳质量时的结果发生了偏移 ， 也就是18-21个前身恒星的质量 。 这些模拟也有力证实了参宿四仅仅有七百万到一千一百万年的寿命 。 试想一下——参宿四只有我们太阳的寿命的千分之一却即将爆炸 ， 那是个怎样的场景 。 参宿四这一类恒星就是宇宙长河中稍纵即逝的火花 。
一束穿过黑暗的光
有了有关参宿四的所有新信息 ， 我们仍然有一个谜团 。 什么导致了2019年年末的变暗现象？如果参宿四在壮烈死亡之前尚有千年的寿命 ， 发生了什么？两个可能的答案：参宿四的多种变异模式的组合排列起来加剧了平常变异的变暗 。 就像是向一个水池中投入多块石头 ， 有时波浪可以合并产生更大的波浪 ， 或者实际上相互抵消 。 我们可能已经目睹了这种现象 。 或者 ， 另一种原因 ， 大片的尘云临时移动到我们和参宿四之间 ， 遮住了此星的一部分光芒——一个外在而非内在的变暗事件 。
尽管我们的太阳在其围绕银河运动的漫长旅程中可能已经看过了很多恒星爆发 ， 超新星对我们有限的人类寿命来说是很令人惊奇的 。 参宿四的爆发将足以明亮到在晚上投下阴影 。 甚至可能在白天都可见 。 此爆发将在接下来的几个月消逝 。 一年之后 ， 猎户座的肩膀将不再肉眼可见 。 那时我可能已经不在了 ， 但是有人会在 。 我们可能认为我们自己很无常 ， 但是天空自己也是这样——恒星们就像雨中的眼泪一样消逝在太空和时间的迷雾中 。
图片中是银河系NGC4526的超新星1994D. 超新星很明亮以至于能观察到他们在遥远银河系中的爆发——这一颗是在5500万光年之外 。 超新星可能会比其所在的整个银河系更加明亮——最后的光辉 ， 版权所有：NASA/Hubble/ESA 。
BY：MATTHEW CIMONE
FY：Astronomical volunteer team
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