我曾在晴朗的夜空下，望著獵戶座，期盼參宿四的爆炸。“快點爆炸吧！”在2019年年末，發生了一件前所未有的事件——參宿四變暗了，視星等降低1.6級到最亮時的1/3亮度。天文學家想知道“這次事件是不是參宿四變成超新星的前兆”。如果能親眼目睹參宿四爆炸的時刻，那將是多麼美妙！恆星隨著一道閃光而爆炸，散射出能夠形成上百萬顆行星、衛星甚至是生命的物質。多麼富有創造性的“大災難”啊！

在有跡可尋的歷史中，只有大約十顆超新星能夠被肉眼觀測到。現在我們可以用望遠鏡重溫古老的天文記錄，發現超新星遺蹟，比如輝煌的SN 1006（在公元1006年目睹），它的爆炸創造了天空中有史以來最亮的天體之一。不幸的是，最新的研究表明，我們大家可能還要再等10萬年才能看到參宿四的爆炸。然而，對最近的參宿四變暗現象的研究收集到了有關參宿四的新資訊，這可能有助於我們更好地理解處於超新星前狀態的星體。

這張對比圖展示了參宿四在空前的變暗前後的情況。

在巨人的肩膀上保持平衡

參宿四，又名獵戶座阿爾法星，是一顆紅色超巨星。它的名字來源於阿拉伯語 "bat al-jawz'"，翻譯過來就是 "巨人的肩膀"，因為這顆恆星形成了獵戶座的左肩（可能是複製人 "羅伊 "在電影《霹靂遊俠》中 "雨中淚 "的獨白中提到的）。恆星的一生都在努力利用自身能量的外向力來平衡自身重力的內向擠壓力--這種狀態被稱為靜水平衡。這種平衡的任何破壞都會引起恆星的變化--有些是戲劇性的，有些則是災難性的。

獵戶座了穿透了由月光撞擊高空冰晶而形成的"月亮光環"。其中盤旋的恆星就是參宿四。你可以勉強辨認出這顆恆星是淡紅色的。c. 馬修·西莫內重力既是一顆恆星的開始，也是一顆恆星的結束。重力提取原材料，星際空隙中產生氫氣，並將其粉碎在一起。氫氣壓縮和加熱後，在恆星核心（我們的太陽核心佔其半徑的1/4）中發生核聚變，將能量向外輻射到恆星的外層。只要一顆恆星有氫氣的供應，它就能支撐自己的重量，實現一個恆星的平衡。一旦燃料耗盡，重力將會使這顆恆星迎來一個極其慘烈的結束。恆星在氫芯燃燒的階段被認為是"主序列"——赫茲普龍-魯塞爾（HR）中的一個術語。 （下圖）

維基百科使用者魯爾宿司改編的赫茲普龍-魯塞爾影象幫助我們如何根據Y軸亮度大小、顏色以及光譜型別明確特定恆星的生命階段。在這個影象上，所有燃燒氫氣的恆星都會落在S型中心“主序列”上。這也是一顆恆星的黃金成年階段。我們的太陽作為一個G級的“黃矮星”落在“主序列”上，一直燃燒著氫氣並將持續約幾十億年或更久(所以千萬不要購買太陽保險哦)。但是，一旦恆星核中的氫氣燃料枯竭，平衡就被打破。能量流失變緩而重力開始撕裂恆星核心。與此同時恆星獲得重生，儘管以一種新的方式。

恆星核心的變形使得核心溫度增加。攀升的溫度向外輻射到一直停留在核心外地層的氫源上,這些地層以前溫度太冷而不能實現聚變。這種在核心外的氫氣現在被點燃,但是這種較近層的燃燒造成恆星膨脹。當外層地層向外擴充套件時,恆星的表面也越遠離核心,並分散在更大的區域導致表面冷卻,然後恆星顏色變成紅色(恆星溫度越低越紅,越高越藍)。恆星進化成一顆紅巨星(或者紅色的超巨星,非常巨大、明亮的恆星)。如果恆星質量足夠的大,核心升高的溫度同樣也會點燃氦氣,這些氦氣是在燃燒氫氣產生的副產品而累計的。一旦氫氣燃燒殆盡,氦氣在對抗重力的激烈戰役中會成為次要的"緊急"燃料供用。

錢德拉X射線天文臺觀測到這顆恆星的星雲殘骸產生的超新星100。這次超新星爆發在距地球7200光年的地方發生。這個在公元1006年被觀測到的星體創造了人類歷史上見到的最亮的光芒。

史密森學會。作為一顆紅巨星，這顆星星在赫羅圖上的位置移動到了主星序的S分支上生長的巨星家族之一。他現在更加的明亮（在赫羅圖Y軸上更高）和更紅（X軸上更靠右）。這就是我們區分M類紅矮星和M類紅巨星的方法。一顆紅巨星可能和紅矮星在X軸上具有同樣的顏色，但是紅巨星可能會更加的明亮並且因此在Y軸上巨星支上更高。像參宿四這樣的紅巨星正處於生命的最後階段。這並不一定說明他們已經存在了很長的時間——僅僅是他們處於生命中最後的階段。參宿四的壽命只有太陽的一小部分，儘管它的質量要大得多。人們認為大的星星等同於更多的燃料去燃燒然而星星就像兩頭燃燒的蠟燭。為了使蠟燭極大的質量保持平衡，他們燃燒氫元素的速度將會比低質量的同類更加迅速得多。

呼吸之星

但參宿四尚未實現新的穩定平衡。這顆恆星正在亮度上發生變化並且因此被歸類為一顆"變星"。瞭解參宿四亮度變化的原因或"模式"會使研究人員能夠去確定它的幾個關鍵物理特徵——這是澳大利亞國立大學的梅雷迪斯·喬伊斯博士、加州理工學院的梁成智博士和赫特福德郡大學的齊亞基·小林博士最近的出版物的重點。

參宿四還在變暗！ —弗雷澤·凱恩的《今日宇宙》影片。一顆恆星的變異要麼是外在的，要麼是內在的。外在變異是由於外部原因而導致的亮度變化。食雙星是一個常見的外在變異現象，因為一顆恆星阻擋了來自伴星的光。而內在變異是由恆星內部的某種東西引起的。受到參宿四在2019年年底突然變暗的啟發，最近有關參宿四的研究試圖確定這種現象在自然界中是內在的還是外在的原因引起的。對參宿四常規脈衝的最新觀測使得研究者能夠肯定變異的首要原因是“卡帕機制”，它打破了這顆恆星的平衡，從根本上導致了參宿四如同一呼一吸般在大小和亮度上的膨脹和收縮。

圖一來自喬伊斯2020:來自20多年前的參宿四的"呼吸"

請注意2019.C.ESO/M.蒙塔格斯等人貝特爾蓋斯的史無前例的亮度下降,作者描述道。那麼什麼是“卡帕機制”?恆星充滿著電離氣體。當你在恆星中過度加熱時,電子從氫原子中撕裂,這是電離過程: 讓恆星變成了一碗渾濁的湯,滿是自由遊離的電子,稱為等離子體。等離子體組成了99%的可見宇宙(我們這種非電離的等離子體物質事實上是稀有空間)。

然而，電離作用在整個恆星中並不均勻，而是存在於不同的部分電離作用層中。部分電離氫的一個關鍵特徵是，與周圍的層相比，被壓縮的氫變得更難傳導。當能量要從恆星核心轉移到表層時，這些難以傳導的部分電離氫層可以隔絕並吸收這些能量。在主序星中，被吸收的能量要將那些不傳導層向上推，但上面有太多的恆星密集物質而導致其無法移動。最終被吸收的能量找到向表面轉移的其它路徑，或者不均勻的電離作用在恆星的翻騰中得到均衡。

為什麼紅巨星在擴張—弗雷澤·凱恩的《今日宇宙》影片。然而，當一顆恆星擴張成紅巨星時，這些不透明的部分電離層升到更靠近恆星表面的地方，在那裡它們能夠更自由地移動。當足夠的能量被困在這不透明的絕緣氣體下面時，移動更加自由的電離層被迫向上，向外撐恆星的表面，導致了恆星的進一步膨脹。隨著電離層的擴張，它們不那麼扁平和不透明瞭，變得對能量更加透明，這讓被困住的能量能夠穿過恆星表面進入太空。丟失了能量的電離層動量減少，向恆星內部回落，又重新在恆星表面之下變得扁平和不透明。試想一下，它就像是是電水壺上的蒸汽閥。當足夠的蒸汽聚集時，蒸汽閥會被頂起來，蒸汽跑出來之後，蒸汽閥就會落下來並關閉。隨著每次脈衝，恆星的半徑和亮度都會發生變化。這些不透明的部分電離氣體在引發恆星脈衝活動的功能就是卡帕機制。該迴圈的原理如下：

向紅巨星演化觸發K機制

當恆星中心區域的氫燃燒完後，會發生膨脹成為一顆紅巨星

膨脹導致部分電離層上升到恆星內部的淺表層

隨著恆星表面向外膨脹，動量被帶走，當超過恆星的引力平衡處後，膨脹減速後又回落

K迴圈機制

恆星表面下落導致表層的部分電離氫被壓縮，導致表面不透明度增大，能量無法逃出。

在部分電離層的不透明度到達最大值前，恆星持續收縮。最終，不透明層下的能量超過了探索的動量

該半徑處是恆星最緻密的地方，且這一刻是迴圈中最熱和最亮的時刻。

被壓縮的不透明層停止下落，且由於不透明層下的能量超過引力所以導致表面再次擴張

擴張的不透明層再次推著恆星表面膨脹。然後不透明層逐漸變得沒有那末緻密，能量可以逃離。當膨脹到一定程度時，恆星成為迴圈中最冷和最黯淡的。

恆星的外層最總失去動量然後回落，回到step4開始再一次迴圈

想象一下，你在一個體積是太陽的數百萬倍的紅超巨星的表面附近徘徊，並且觀察它外層的膨脹和收縮。這顆星星的表面每秒居然可以移動一公里！每年這個龐然大物都會深呼吸，造成表面的劇烈變化。

研究人員透過計算機建模確定了K機制是導致參宿四得的亮度有一個416天迴圈或週期的原因。但是，虛擬模型無法重現研究小組在恆星本身上觀察到的第二個185天和更長的2365天。K機制可能與恆星其他固有的特質相互作用，從而使恆星的變化性產生另一個模式。因此，研究人員推論，參宿四是一個雙模變星。

較短的185天週期被歸類為恆星脈動中的“諧波”。“波”這個詞很貼切，因為穿過恆星的波紋本質上是攪動等離子體而產生的聲波。2365天是長次週期（LSP）。另外兩個週期的起源尚不明確。研究人員鼓勵未來開發更精密的計算機模型，以進一步探索這顆恆星的其他週期。

我試著用美國航天局熔岩燈來演示K機制——馬修·西蒙尼

在赫羅圖上有一塊非常狹窄的區域，其中有變星存在，被稱為“不穩定帶”。有可能隨著一些恆星的年齡增長，它們會透過這條不穩定帶演化，直到到達另一邊，形成一個新的平衡點，在那裡，脈動模式減弱或脈衝放大，直到恆星將其外層完全剝離。

由於參宿四仍處於脈動中，研究人員確定，這顆恆星很可能早就處於向紅超巨星轉變的氦燃燒階段，並可能繼續燃燒10萬年，直到無法平衡引力，坍縮成超新星。

狹窄的“不穩定帶“，在其中存在變星。 ——維基百科使用者Rursus

恆星多米諾的蹤跡

參宿四的脈動讓研究人員獲得了關於恆星一般特點的其他資訊，例如恆星的半徑。我們知道脈動經過恆星需要一定的時間來表示脈動週期。研究人員一般能夠計算出脈衝波的速度（給定的參宿四密度的“聲音”的速度）並且使用週期時間來確定他們已經在恆星中移動的距離。使用這些計算，參宿四已經根據之前測量中的66%的資料更新到764個太陽半徑（是太陽半徑的764倍）。

像天文學多米諾骨牌一樣，每一條關於參宿四的補充資訊都對我們觀察它的其他特點提供了重要的視角。透過更新後的半徑資訊，我們可以根據參宿四在夜空中的展現的“寬度”重新計算它離我們的距離。更小的恆星半徑證明了我們與這顆紅超巨星的距離小於之前認為的530光年遠。即使距離比原來的計算近了25%，它在爆發的情況下也還是會因為太遠而無法對我們造成覆滅。這是個好訊息。

最後，研究人員還為我們這一鄰近巨星測量了質量。現在我們有了對參宿四向太空中損失自己的質量有了一個基本的認知——大概每百萬年就有一個太陽的質量的物質被吹入了太空中。研究人員模擬了參宿四還是一顆年輕主序星時多種不同“祖星”或起始質量來進行實驗，這項模擬一直進行著直到後來發現這顆恆星存在卡帕機制的脈動。參宿四在16.5-19個太陽質量時的結果發生了偏移，也就是18-21個前身恆星的質量。這些模擬也有力證實了參宿四僅僅有七百萬到一千一百萬年的壽命。試想一下——參宿四隻有我們太陽的壽命的千分之一卻即將爆炸，那是個怎樣的場景。參宿四這一類恆星就是宇宙長河中稍縱即逝的火花。

一束穿過黑暗的光

有了有關參宿四的所有新資訊，我們仍然有一個謎團。什麼導致了2019年年末的變暗現象？如果參宿四在壯烈死亡之前尚有千年的壽命，發生了什麼？兩個可能的答案：參宿四的多種變異模式的組合排列起來加劇了平常變異的變暗。就像是向一個水池中投入多塊石頭，有時波浪可以合併產生更大的波浪，或者實際上相互抵消。我們可能已經目睹了這種現象。或者，另一種原因，大片的塵雲臨時移動到我們和參宿四之間，遮住了此星的一部分光芒——一個外在而非內在的變暗事件。

儘管我們的太陽在其圍繞銀河運動的漫長旅程中可能已經看過了很多恆星爆發，超新星對我們有限的人類壽命來說是很令人驚奇的。參宿四的爆發將足以明亮到在晚上投下陰影。甚至可能在白天都可見。此爆發將在接下來的幾個月消逝。一年之後，獵戶座的肩膀將不再肉眼可見。那時我可能已經不在了，但是有人會在。我們可能認為我們自己很無常，但是天空自己也是這樣——恆星們就像雨中的眼淚一樣消逝在太空和時間的迷霧中。

BY：MATTHEW CIMONE

FY：Astronomical volunteer team