参宿四或将爆发

2020-01-21闫升

大自然探索 2020年11期

闫升

被誉为夜空灯塔星之一的恒星——参宿四近来很不安分。2019年10月，它开始不规律地变暗。2020年1～2月，它的亮度下降到通常亮度的40%，从夜空亮星排名第9滑落到第21，这是有观测记录以来的新低。许多科学家猜测，参宿四可能已经走到生命末路，接下来会像其他类似质量的大恒星一样变暗，坍缩，最后作为一颗超新星爆发。

参宿四距离地球724光年，在夜空中呈现橘红色，属于红超巨星，也就是说这颗恒星已步入晚年。如果它现在就爆发，那么它释放的光亮要在太空中穿行至少700多年才能被我们看见，因此我们现在看到的其实是它700多年前的样子。多年来人类从未停止观测这颗恒星，724光年在宇宙中并不是很遥远的距离，所以我们不得不时刻提防这位“邻居”。

参宿四亮度下降。

如果爆发会多亮？

爆发的超新星非常明亮，亮度在短时间内可超过其所在星系里数千亿颗恒星亮度的总和，成为整个星系里亮度最高的光源。超新星有一周左右的亮度提升期，亮度可以保持若干天的最高值，然后渐渐变暗，直到暗淡无光。

如果参宿四爆发，能有多亮？虽然我们无法近距离测量每一颗恒星的亮度，但是以恒星和地球的距离为依据，对它们的亮度进行修正，就能得出绝对星等，也就是它们的实际亮度。如果参宿四以II型超新星形式爆发，绝对星等约为-17。这个数值的绝对值越小，天体越明亮。例如，太阳的绝对星等为4.83，实际亮度只有这颗超新星的五亿分之一。

另一种测量方法是视星等。顾名思义，视星等测量的是从地球观测到恒星的亮度。无论多么明亮的恒星，它离地球越远，我们看到的它越暗淡。参宿四距离我们再怎么近，其实还是很远，如果以视星等来衡量，那么其爆发峰值的视星等为-10。作为参照，地球天空中最明亮的天体——太阳的视星等为-26.74，即太阳在地球天空中的亮度是参宿四爆发亮度的约500万倍。如果参宿四爆发，那么其夜晚最高亮度接近甚至可能超过满月，最高亮度期会持续3个月。

爆发后的参宿四在地球夜空中的亮度（模拟图）。

生命周期

恒星的一生是与引力对抗的一生。引力一个劲儿地迫使恒星向内坍缩，而恒星内核中的高温高压促使核聚变反应猛烈进行，由此产生的巨大离心压力抵消了重力造成的坍缩。这两股力量的抗衡，维持了恒星的形状。

恒星释放的光和热都来自核聚变反应。1千克氢经核聚变反应能释放相当于4000吨石油完全燃烧释放的热量。在太阳核心，每秒有6.2亿吨氢聚变成氦。太阳还能持续燃烧50多亿年，但参宿四这种级别的红超巨星只需几百万年就会耗尽燃料。

当巨型恒星核心的氢完全耗尽，它就无法完全抵抗引力，内层开始坍缩，使核心温度和压力进一步上升。这个过程会加速氢聚变反应，由此产生的巨大能量导致巨型恒星外层物质向外膨胀，使巨型恒星成为一个红色巨人——红超巨星。当膨胀到一定程度时，它的核心开始坍缩，氦开始聚变成碳。当氦耗尽后，红超巨星的核心再次坍縮，温度和密度进一步提高，最终达到碳聚变的反应温度，于是碳聚变为氖。这个反应链条会一直持续，直到红超巨星的核心充满铁原子。铁聚变反应吸收的能量大于释放的能量，导致恒星能量入不敷出。此时红超巨星彻底失去抗衡自身引力的最后力量，开始猛烈坍缩，核心温度超过1000亿开氏度。带正电的原子核在高压下被挤在一起，原子核之间互相排斥的力量克制引力，于是恒星核猛烈向外爆发，形成宇宙中最壮观的景象——超新星。

超新星爆发将75%的自身物质抛洒到星际空间。爆发后，如果残留的核心质量在1.4～5倍太阳质量范围内，就会坍缩成一颗中子星。如果核心质量更大，则会形成黑洞。

恒星的生命周期。

尘埃遮挡光芒

科学家猜测，参宿四内部活动不稳定可能造成了它的亮度下降。和太阳大气一样，参宿四的外层大气中也有对流单元，这由恒星大气不同区域的温度、压力和密度差异所导致。参宿四的对流单元直径最大可达参宿四自身直径的60%，如此巨大的对流单元会让参宿四表面的温度迅速下降。

对流会导致降温，尘埃则会导致参宿四亮度下降。智利的帕瑞纳天文台所在地干燥少云，利于观测。从2019年12月起，科学家利用该天文台的甚大望远镜对参宿四进行持续观测，试图破解参宿四变暗之谜。

第一批观测结果还待处理。闲下来的科学家，利用甚大望远镜上一个专门用于搜寻系外行星的设备拍摄了一张参宿四照片。碰巧的是，这台设备2019年1月也拍摄了一张参宿四照片。两相对比，新照片中参宿四的亮度不但明显下降，而且没有1月时均匀——参宿四超过一半的面积都变暗了。

2019年12月，甚大望远镜搭载的中红外成像光谱仪捕捉到了参宿四喷射出的尘埃。天文学家猜测，参宿四很可能朝地球方向（不是正对地球）喷射出大量尘埃。尘埃阻挡了参宿四的很大一部分光芒，这是参宿四亮度突然下降最可能的原因。

照片中參宿四周围类似火焰的部分，是它向周围喷射出的羽状尘埃形成的星云。因为该星云完全被参宿四的光芒掩盖，所以无法用可见光谱望远镜发现。通过观测参宿四，天文学家知道红超巨星能够在成为超新星之前就形成星云。

参宿四亮度下降的原因可能是被自身喷射的尘埃遮挡。

据预测，参宿四可能会在近10万年内爆发，但应该不会在短期内爆发。因此，一些人将观测超新星爆发的期望寄托在距离地球1800光年外的KIC9832227这个双恒星系统。从地球看去，KIC9832227其中一颗恒星在经过另一颗恒星前方时会短暂遮掩对方的光芒。2013年，科学家注意到这个双星系统的亮度出现明显变化，经过多年观测和研究，科学家认为这两颗恒星即将融合成为一颗红色超新星。

最近一次超新星爆发

1987年2月23日是被载入天文史的一天。当天，位于大麦哲伦星系的一颗超新星发出的光线在太空中穿行16.8万年后到达地球，这颗超新星被命名为1987A。它的亮度于当年5月达到最高，视星等为3，全夜空亮度排名在171名之后。然后，1987A逐渐转暗。

1987A为天文学家提供了一次观测近距离超新星爆发的宝贵机会，也让关于超新星的理论有了验证机会。在1987A的光线到达地球的三小时前，其爆发产生的中微子如幽灵般快速穿过地球。多国的中微子探测站捕捉到了1987A发出的25个中微子。中微子比超新星光线更早到达地球并不是因为中微子的移动速度更快，而是因为超新星爆发会先释放中微子，然后才释放可见光。