哈勃發現了參宿四神秘變暗事件背後的秘密

2020-09-03 NASA愛好者

美國航空航天局（NASA）哈勃空間望遠鏡的觀測結果表明，紅超巨星（red supergiant）參宿四（Betelgeuse，又稱獵戶座α星，α Orionis）的意外變暗很可能是由於大量熱物質噴射到太空中，形成的塵埃雲阻擋了參宿四表面的星光而造成的。

哈勃的研究團隊認為，從恆星表面大型對流單元的上升流中釋放出的超高溫等離子體，在穿過高溫大氣到達溫度較低的外層大氣時，降溫冷卻形成了塵埃顆粒，進而產生了塵埃雲。從2019年末開始，這些塵埃雲阻擋了大約四分之一從恆星表面射出的光線，直到2020年4月，恆星才恢復了正常亮度。

參宿四是一顆年邁的紅超巨星，由於它的內核中複雜而變化多端的核聚變反應，參宿四的大小已經發生了膨脹。現在的參宿四是如此之大，如果把它放在我們太陽系中心太陽的位置上，它的外表面將延伸到超過木星軌道的地方。

參宿四此次變暗的現象可以說是史無前例的，甚至達到了在地球上肉眼可見的程度，變暗開始於2019年10月，到2020年2月中旬的時候，這顆怪物巨星已經失去了它三分之二還要多的光彩。

這幅四分圖描繪了快速演化的明亮紅超巨星參宿四的南部區域，在2019年末到2020年初可能突然變暗了幾個月。在前兩個分圖中，也就是哈勃望遠鏡在紫外線中所見的樣子，從恆星表面上出現的巨大對流單元中噴出了明亮而高溫的等離子體團。在第三個分圖中，噴射而出的氣體迅速向外膨脹，冷卻後形成了巨大的塵埃雲。最後一個分圖顯示出在巨大塵埃雲的遮擋下，從地球的角度看來有四分之一恆星表面的光都被圍堵了。

圖片來源：NASA、歐洲空間局（ES）和空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute，STScI）的E•惠特利（E. Wheatley）

這種突然的變暗讓天文學家感到滿頭問號，他們爭先恐後地提出了許多或能解釋這種突發變化的理論。其中有一種理論是：一個面積巨大而低溫暗淡的「星點」覆蓋了參宿四可見表面的一片寬闊區域。但是，領導哈勃觀測研究的安德烈亞•杜普雷（Andrea Dupree）則提出，是塵埃雲遮擋了參宿四的一部分。杜普雷是位於麻薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理學中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian，CfA）的副主任。

從2019年1月開始，哈勃對參宿四進行了好幾個月的紫外線光譜觀察，得出了導致光度變暗的時間線。這些觀測數據為參宿四變暗的背後機理提供了重要的新線索。

在2019年9月、10月和2019年11月，哈勃望遠鏡拍下了密集的被加熱的物質在恆星大氣中移動的跡象；在之後的12月，多臺地面望遠鏡觀測到參宿四南半球的亮度下降。

「有了哈勃望遠鏡，我們就可以看到離開恆星可見表面並穿過並逃逸出大氣層的物質，這一過程發生在讓恆星看起來變暗的塵埃形成之前，」杜普雷說道，「我們可以看到恆星東南部一處高密度且高溫的區域向外移動的影響。」

「這種材料的發光量比恆星的正常亮度還要高出兩到四倍，」她繼續說道，「然後，大約一個月之後，隨著參宿四逐漸變暗，它的南部亮度下降得非常顯著。我們認為，哈勃探測到的外噴流可能形成了暗淡的塵埃雲，只有哈勃向我們提供了這一導致參宿四變暗現象的證據。」

研究團隊相應的論文已於8月13日在線發表在《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）上。

像參宿四這樣的大質量超巨星對我們來說非常重要，因為它們會將諸如碳這一類的重元素排放到太空中，這些元素成為了新一代恆星誕生的基礎。眾所周知，碳還是碳基生命的基本原料。

追蹤創傷性的爆發

從2019年年初開始，杜普雷的團隊就在使用哈勃分析這顆龐然大物，他們的觀測是哈勃為期三年的一項研究的一部分，這項研究旨在監測參宿四外部大氣的變化。參宿四是一顆變化無常的恆星，在420天的振蕩周期中，它會經歷體積的膨脹和收縮，以及亮度的增長和降低。

哈勃望遠鏡的紫外線觀測敏感度極高，這讓研究人員能夠探測到參宿四這顆恆星表面上方溫度極高（超過11 000攝氏度）的層狀結構，因為這樣的高溫是無法在可見光波長下被探測到的。參宿四動蕩的對流單元以鼓泡泡的形式，將這些層狀結構的某些部分上升到表面從而得以升溫。

在2019年末和2020年，哈勃拍攝下了參宿四的光譜圖像，並通過測量二價鎂（單個鎂離子）線探測了恆星的外部大氣。在2019年9月至11月期間，研究人員測量了從恆星表面進入其外層大氣的物質移動速度，約為200 000英裡每小時（320 000千米每小時）。

這種熾熱而稠密的物質繼續行進到參宿四的可見表面之外，上升到了距離這顆動蕩恆星數百萬千米之外的地方。研究人員表示，在這樣的距離下，這些物質會冷卻到足以形成塵埃的程度。

這種解釋與哈勃在2020年2月的紫外線觀測結果一致，觀測表明，參宿四外部大氣的行為恢復了正常，儘管可見光圖像顯示它仍在進一步變暗。

雖然杜普雷還不清楚參宿四爆發的原因，但她認為這裡面有恆星振蕩周期的功勞，因為可見光記錄表明，恆星的振蕩在整個爆發事件中一直都在如常進行。論文的共同作者、波茨坦萊布尼茲天體物理研究所（Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam）的克勞斯•施特拉斯邁爾（Klaus Strassmeier）使用該研究所的自動望遠鏡恆星運動望遠鏡（STELLar Activity，STELLA），測量了在振蕩周期內參宿四表面氣體上升和下降時的氣體速度變化。在對流單元上升的同時，恆星正處於周期中的膨脹階段。從參宿四內部向外振蕩產生的波動，可能幫助推動了流出的等離子體穿過大氣層。

杜普雷估計，在爆發持續的三個月中，參宿四損失的物質量約為南半球正常物質量的兩倍。就像所有恆星一樣，參宿四的質量一直在減小，而在爆發的時候，質量損失速率比太陽的質量損失高出了3000萬倍。

參宿四距離地球如此之近，而它本身又如此龐大，哈勃望遠鏡甚至已經能分辨出它的地表特徵了，這還是除了我們的太陽之外唯一被如此「端詳」的恆星，表面細節幾乎一覽無餘。

藉助哈勃，杜普雷在1995年拍攝的圖像首次展示出了參宿四斑駁的表面，其中包含大量的對流單元，這些單元時而收縮時而膨脹，從而讓它們看起來時而暗淡時而明亮。

超新星爆發前兆？

紅超巨星註定要在超新星爆炸中結束自己的生命，一些天文學家認為，參宿四的突然變暗可能是超新星爆發的前兆。這顆恆星離我們相對較近，大約相距725光年，這意味著它的變暗發生在公元1300年左右，只是直到現在，從它射出的光才剛剛到達地球。

「沒有人知道恆星在發生超新星爆炸之前會做些什麼，因為我們從沒觀測到過，」杜普雷解釋說，「對於成為超新星的恆星，天文學家可能在它們發生超新星爆炸之前的一年裡有所觀測，但在爆炸前的幾天或幾周內進行觀測的可能性非常小。」

杜普雷將在八月下旬或九月初利用哈勃再一次觀測這顆恆星。目前，參宿四出在白天的天空中，非常靠近太陽，這讓哈勃無法對它進行觀測。但另一方面，NASA的日地關係天文臺（Solar Terrestrial Relations Observatory，STEREO）已經從太空中拍攝了這顆怪物恆星的圖像，相應的觀察結果表明，參宿四從5月中旬到7月中旬又再次變暗了，儘管沒有今年年初那麼強烈。

杜普雷希望使用STEREO進行更多的後續觀察，來監測參宿四的亮度變化。她的計劃是，在明年參宿四在它的振蕩周期內再次向外膨脹時，利用STEREO對參宿四進行第二次觀測，查看它是否釋放了另一個爆炸性的爆發。

參考來源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-finds-that-betelgeuses-mysterious-dimming-is-due-to-a-traumatic-outburst

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  • 參宿四突然變暗,真相竟然是...
    當然了這個0.5其實是一個平均值，事實上，參宿四是一顆半規則變星，也就是說，這哥們受到自身體積不斷變化的脈動影響，就像氣球一般忽大忽小，這就導致參宿四的視星等，在最亮的0.2和最暗的0.8之間來回擺動，這個變化的節奏，短則幾個月，長則5年，對此，天文愛好者們也早就習以為常了。