哈勃望遠鏡發現參宿四（Betelgeuse）的神秘調光原因

最近對參宿四（Betelgeuse）的觀測顯示，該恆星在 2019 年代末和 2020 年初的意外和顯著變暗期很可能是由密集熱氣體的噴射和冷卻造成的，而且該恆星可能提前一年多經歷另一個調光期。

圖註：這幅四幅圖顯示了快速演化的明亮的紅色巨星參宿四的南部區域，可能在2019年底和2020年初幾個月突然變得微弱了。望遠鏡從恆星表面巨大的對流室的出現中噴出了明亮、熾熱的等離子體。在第三幅圖中，流出的排出氣體迅速向外膨脹。冷卻後形成巨大的塵埃雲。最後一幅圖顯示出巨大的塵埃雲，擋住了恆星表面四分之一的光（從地球上看）。

在2019年10月至2019年11月之間，哈勃太空望遠鏡觀察到緻密的加熱物質以每小時32萬公裡的速度向外移動，穿過恆星的延伸大氣層。在接下來的一個月中，幾臺地面望遠鏡觀測到了參宿四南半球的亮度下降，好像有什麼東西擋住了恆星這一區域的光線。到2020年2月，這顆恆星失去了超過三分之二的亮度，甚至肉眼也能見其亮度在變暗，並發出嗡嗡聲，暗示該恆星可能正在超新星爆發。對哈勃望遠鏡進行的連續紫外線光譜觀察為研究人員提供了一個時間表，像穿越時空的麵包屑，可以找出神秘暗淡的來源。

「在哈勃望遠鏡的作用下，我們此前曾在參宿四的表面觀察到熱對流室，並在2019年秋季發現了大量稠密的熱氣體通過參宿四的延伸大氣向外移動。我們認為這種氣體使恆星外的數百萬公裡處冷卻了下來，形成了阻擋2019年1月和2月成像的恆星南部的塵埃，」天體物理學中心副主任安德裡亞·杜普裡（Andrea Dupree）說，該研究的主要作者，「這種物質的發光度是恆星正常亮度的2至4倍。然後，大約一個月後，隨著恆星逐漸變暗，參宿四的南部顯著變暗。我們認為，可能是由於哈勃的外流導致了暗雲被發現。只有哈勃給我們提供了導致昏暗的證據。」

圖註：該光譜圖基於哈勃太空望遠鏡在2019年3月至2020年2月的觀測結果。哈勃記錄了參宿四附近大氣層的驚人爆發。來自鎂II的發射的測量被用來追蹤恆星脈動大氣中的運動。哈勃的太空望遠鏡成像光譜儀捕捉到了2019年10月在恆星東南部鎂發射亮度的急劇增加，如白色圓圈所示。這一外傷性事件與通常在恆星420天的脈動期內所見不同。在10月的同一時間，這顆星突然開始變暗。這種衰落一直持續到2020年2月，那時哈勃紫外線光譜數據恢復了正常。懷疑爆發是噴出一團熱的等離子體雲，該雲被冷卻形成塵埃，並在幾個月內阻擋了大部分恆星的光。哈勃（Habble）監視恆星的長期基線有助於將拼圖碎片組合在一起。

當哈勃望遠鏡的觀測結果表明，所探測到的等離子體並沒有像恆星模型所預測的那樣，從恆星的旋轉極中噴出時，參宿四給科學家們帶來了另一個驚喜。杜普裡說：「哈勃的觀測表明，可以從恆星表面的任何部分排除物質，」他補充說，最近在參宿四的活動對這顆恆星來說並不正常。杜普裡指出，參宿四正在失去的質量比太陽高出三千萬倍，但最近的活動造成的損失僅是南半球的正常物質損失的兩倍左右。「所有恆星都在向星際介質流失物質，我們不知道這種物質是如何流失的。它是否一直在吹著平穩的風？或者它契合併開始了？也許有一個事件， 如我們在參宿四發現？我們知道，其他更熱的發光恆星會失去物質，它很快變成塵埃，使恆星顯得更暗。但是在一個半世紀裡，這還沒有發生在參宿四身上，這是非常獨特的。」

使用STELLAr活動天文臺（STELLA）進行的補充觀測，測量了在脈動周期中恆星表面上升和下降時，其表面速度的變化，產生的波效應可能推動流出的等離子體流過恆星大氣。這項研究的共同作者，萊布尼茲-皮斯天體物理學波茲坦研究所的宇宙磁場主任克勞斯·G·斯特拉斯邁爾說：「我們看到光譜中所有的吸收線都發生了藍移，並且知道恆星正在膨脹。」「當開始變暗時，藍移變得越來越小，實際上在恆星最微弱的時候變成了紅移。因此，我們知道變暗一定與恆星光球的膨脹和收縮有某種聯繫，但是 僅憑它不可能造成如此大的變暗。」

圖註：美國宇航局STEREO太空飛行器上的日球成像儀的圖像顯示了盤旋的參宿四。 由於太空飛行器在太空中的獨特位置，在2020年的幾周內，STEREO是唯一測量參宿四的天文臺。

當恆星轉入白天的天空，並脫離哈勃望遠鏡和斯特拉的視野時，研究人員轉向美國宇航局的太陽地球關係天文臺（STEREO）來監測超巨星的亮度。但是夏季的觀察卻顯示出驚人的驚喜：更多意想不到的調光。 在2020年6月下旬至2020年8月上旬之間，STEREO在五天內分別觀測了參宿四，測量了該恆星與其他恆星相比的相對亮度。「我們用STEREO對參宿四的觀測證實了恆星再次變暗。參宿四通常經歷持續約420天的亮度周期，並且自從上次最小值出現在2020年2月以來，這種新的變暗早了一年，」杜普裡說。計劃明年在恆星最大時再次與STEREO一起觀測參宿四，以監視意外爆發。

圖註：該圖顯示了從2018年末至今的各個天文臺對參宿四的亮度的測量結果。藍點和綠點代表來自地面觀測站的數據。當參宿四出現在地球的日空中時，就會發生這些測量中的間隙，從而無法進行精確的亮度測量。在2020年的觀測間隙期間，NASA的STEREO飛船（以紅色顯示的測量值）介入，從其獨特的有利位置觀測參宿四，揭示了恆星出乎意料的調光。在任務的檔案數據中找到了STEREO的2018年數據點，並用於將STEREO的測量值與其他望遠鏡進行校準。

去年年底，隨著恆星繼續變得越來越暗，點燃了圍繞參宿四的強烈興趣。一些科學家說，這種現象表明這顆老星即將進行超新星飛行。作為一個可變的恆星，它在每個周期中都會膨脹和收縮、變暗和變亮，「參宿四是我們銀河系中一顆明亮的恆星，臨近其生命盡頭，有可能成為超新星。當這顆恆星在2020年2月變得非常微弱時，自從150年前開始測量以來，這是最微弱的一次。」「在看獵戶星座時，參宿四的調光都很明顯；這很奇怪，參宿四可能要消失了。」在距地球725光年的地方，今天從地球上的參宿四看到的光線（包括變暗）在1300年離開了恆星。「沒人知道恆星爆炸前幾周的行為，而且有一些不祥的預言表明參宿四已經準備好了成為超新星。然而，它有可能在我們一生中不會爆炸，但是誰知道呢？」

哈勃和斯特拉研究的全部結果今天發表在《天體物理學雜誌》上。2020年7月28日，通過天文學家電報報導了STEREO的觀測結果。