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参宿四“大变暗”谜题揭晓

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年06月18日 15:46

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：Wikipedia

一

参宿四，位于地球数百光年之外，是夜空中最耀眼的恒星之一。它的质量是太阳的十几倍，半径是太阳的几百倍，如果把它放在太阳系的中心，它将吞没所有四颗带内行星（如下图）。

图片来源：ESO/L. Calçada

2019年末，这颗位于猎户座的红色恒星开始出现了引人注目的变化——它的亮度突然下降！在接下来的几个星期，参宿四变得越发暗淡。到了2020年2月中旬，这颗恒星的亮度已经下降到其典型亮度的35%左右，然后在接下来的几个月里又迅速地恢复。

参宿四的“大变暗”吸引了许多人的关注，并引发了一系列的推测。在困惑之后，天文学家锁定了两种可能性来解释大变暗：一种是参宿四的表面出现了异常的冷区，另一种可能是一团尘埃云遮蔽了参宿四。

现在，由天文学家Miguel Montargès领导的一个国际团队在《自然》杂志上发表了他们的最新研究成果，他们认为这两种解释都是正确的，且是相互关联的。

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参宿四在2019-2020年间的亮度变化。| 视频来源：ESO/M. Montargès et al./L. Calçada

二

参宿四的初始质量大约是太阳的20倍。质量越大的恒星意味着其演化的速度也越快，相比于像太阳拥有几十亿的寿命，它们的寿命往往只有几百万年。当大质量恒星的核心开始从氢聚变转变为氦聚变时，它们就进入了恒星演化的下一个阶段，膨胀变成红超巨星。参宿四就是一颗红超巨星，它们最终会产生壮丽的超新星，其核心会变成一颗中子星或黑洞。

红超巨星巨大而寒冷的外层会发生脉动，并拥有少量巨大的对流元（因对流而移动的大量物质）。此外，外层的质量损失也会导致在恒星的周围环境中形成尘埃。为红超巨星的外层建模是极具挑战性的，因为质量损失和尘埃产生的机制非常复杂。但是，能够更好地理解红超巨星是非常有意义的，因为它们将帮助我们更好的理解恒星的诞生和死亡周期，以及宇宙化学的演化。

参宿四很大，离我们也很近，所以它是为数不多可以被分辨成圆盘而不是一个点的恒星之一。通过位于智利的甚大望远镜的SPHERE仪器，研究人员捕捉到了大变暗发生前（2019年1月）和发生时（2020年1月）的照片。在比较了这些图像之后，研究人员发现参宿四并不是均匀地在变暗，而是主要集中在参宿四的南半球。

观测表明，参宿四的光的损失主要集中在南半球。| 图片来源：ESO/M. Montargès et al

三

先前的一些观测表明大变暗很可能是由参宿四自身产的尘埃造成的，也有研究表明冷却也在大变暗中扮演着重要角色。那么，参宿四的大变暗究竟是因其南半球表面的一个巨大对流元搅动产生的短暂冷区导致的，还是因为它被一团尘埃遮挡住了？Montargès的团队在对两种情况建模并将模型与它们图像进行对比后，解决了这种不确定性。他们得出的结论是，尘埃是罪魁祸首，但尘埃的出现与冷区的短暂出现有关。

观测显示，在大变暗之前的某个时刻，参宿四经历了一次质量损失——它喷射出了一团巨大的气体。研究人员认为，在2019年末，正常的脉动行为和南半球的对流驱动的冷区的结合开始使局部环境变冷。温度的下降使该地区在近期释放的气体迅速凝结成固体尘埃。这一过程产生了厚重的南方尘埃云，暂时挡住了参宿四的大部分光线，从而使我们看到了大变暗。

这对参宿四意味着什么？2019年末，参宿四的异常使它迅速成为了头条新闻，部分原因是因为一些人认为大变暗或许预示着它即将在超新星爆炸中死亡。自17世纪以来，在银河系就没有观测到过超新星，所以天文学家并不完全确定在超新星爆炸之前，恒星会有什么表现。然而，新的研究结果证实大变暗并非参宿四即将发生超新星爆炸的早期迹象。

如果我们能够知道参宿四在多少年内会爆炸成为超新星，那将是非常奇妙的事情。但目前我们对参宿四或者红超巨星的了解还不足以支持我们做出精确地预测。虽然新的研究结果并不是爆炸性的，但却为我们理解所有恒星的演化奠定了基础。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03546-8

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01526-6#ref-CR5

https://www.cfa.harvard.edu/news/mystery-solved-dust-cloud-led-betelgeuses-great-dimming

https://physicsworld.com/a/has-betelgeuses-great-dimming-finally-been-explained/

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗