參宿四突然變亮 我們將肉眼看到超新星爆發？_風聞

來源 | 中國科學院國家天文台

參宿四是一顆處於獵户座的紅超巨星，也是冬季夜空中最亮的恆星之一。這兩天，關於參宿四發生了一件奇怪的事兒，它的亮度變得讓人捉摸不定，這意味着什麼呢？

公元1054年7月4日，清晨的東方，天空中突然出現了一顆非常耀眼的“客星”。那顆客星甚為壯觀，按照《宋會要》等古籍的記載，在最初的二十多天裏，它不僅白天可見（根據現有推斷，視亮度可能達到了-7到-4.5等），晚上更是耀眼。儘管在此之後亮度變暗，仍然持續了近兩年的時間。

在中國古代，客星可能表示彗星或者超新星爆發，前者又常常帶有不祥之意，因此這顆客星的出現想必也曾引起不小的恐慌。如今，天文學的進步，讓我們對古代的很多天象記錄有了更為合理和科學的認識。最近的一百多年間，通過大型的天文觀測設備，天文學家對這塊區域進行了重新觀測，確認了1000多年前的那顆客星其實是一次超新星爆發。在它的中心產生了一顆脈衝星，外部形成了一塊非常漂亮的星雲，因為形似螃蟹，因此被命名為“蟹狀星雲”。

圖1：不同波段下的蟹狀星雲圖（從左向右，從上往下順序：x射線、紫外、可見光（黑白）、可見光（彩色）、近紅外、中紅外、遠紅外、射電） 版權：NASA

在此以後，又有幾顆肉眼可見的超新星被記錄下來。最近的一次銀河系內肉眼可見的超新星是爆發於1605年的開普勒超新星，那是在望遠鏡發明前四年。在歷史記錄中，總共只有8顆肉眼可見的超新星，數目非常稀少。不過藉助強大的天文望遠鏡，在計算機的輔助下，現在我們可以很容易地找到宇宙中距離我們十分遙遠而闇弱的超新星爆發事件。然而，像1054年那樣明亮的超新星爆發現象，卻從未再次出現過。

不過，不少人猜測參宿四（英文Betelgeuse）很可能就是下一顆，而且很快就會爆發。

參宿四是位於獵户座的一顆紅超巨星（red supergiant），它是冬季夜空中最亮的恆星之一（全天夜空最亮恆星排名通常為第11），通過肉眼很容易看到。它和大犬座的天狼星、小犬座的南河三一起，構成了著名的冬季大三角。參宿四的質量大約是太陽的12倍，如果把它放在太陽的位置，它的外緣將延伸到火星軌道之外，甚至可以達到木星附近。它比太陽更重，所以一方面它擁有更多的燃料，比太陽更加明亮；另一方面因為消耗燃料的速度過快，它的壽命也更短。太陽的壽命約為100億年，如今即將過半。而參宿四的壽命約是1000萬年，觀測表明它很可能已經走到生命的盡頭。

圖2：參宿四大小和太陽系大小比較圖 版權：ALMA

自從2019年10月起，參宿四的亮度變化非常奇怪。天文學家們先是觀察到它的亮度急劇持續變暗，達到了近一個世紀以來最弱時刻（視亮度從0.5降到了1.5，使得全天最亮排名掉出前20），而在最近幾日又突然變亮（考慮到測量誤差，關於變亮還有待進一步確認），這讓大家猜測：會不會是參宿四爆炸的時刻即將到來？一些人猜測這顆星很可能即將發生超新星爆發，甚至有人説這顆星其實已經爆炸，只是因為距離遙遠，光需要幾百年的時間才能傳到地球，所以我們尚未看到。這些説法引發了全球天文愛好者和大眾的高度關注。

對於恆星變亮變暗這種現象的產生原因，仍然有不同的爭論。一種可能的原因是參宿四內部的物質在受熱時產生對流，使得恆星表面上出現熱斑。一些熱斑會被噴射到太空中，在恆星表面留下相對較冷和較暗的區域，從而讓它看起來好像變暗了。不過對於紅超巨星參宿四而言，本身就存在着一個準週期性的亮度變化，所以一些天文學家認為，最近所觀測到的亮度變化就是這顆恆星內部很自然的週期性變化所致。在之前參宿四亮度下降的時候就預言了它將再次變亮，因此此次的亮度變化可能與超新星爆發沒有關係。

其實，除了參宿四的亮度變化之外，天文學家之前觀測很多其它恆星亮度的變化。最為著名的就是海山二（Eta Carinae）系統的亮度變化。它是一個距離地球大約7500光年的雙星系統，其中包含一個起初質量為150到250太陽質量的高光度藍變星（Luminous blue variable），而且已經向周圍拋射了30倍的太陽質量物質。

圖3：哈勃望遠鏡觀測到的海山二 版權：NASA/HST

另外一顆是30倍太陽質量的沃爾夫-拉葉（Wolf-Rayet）星。起初它是一個4等星的系統，1837年時，這個系統突然變亮，亮度甚至超過了參宿七（Rigel），其中的藍變星開始了所謂的“大噴發”（Great Eruption）時期，在1843年的3月11日到14日之間，這顆恆星一度成為全天僅次於天狼星的第二亮恆星，隨後它一直變暗，直到1856年暗到肉眼再也看不到了。在此之後，又分別在1892年和1940年有兩次小爆發，一度使得恆星又肉眼可見。估計其中的高光度藍變星會在估計在1000年之內會爆炸產生超新星。因為這個恆星的質量極大，而且它在一個雙星系統當中，有諸多因素會影響最終產生的亮度。根據現有理論，有可能會產生超亮超新星，也可能產生比一般更暗一些的超新星。

圖4：超新星爆發示意動畫圖 來源：網絡

就參宿四而言，按照現有研究可以肯定的是，參宿四在未來很快就註定會成為一顆超新星。但是用天文術語來説，“很快”可能意味着從今天到10萬年後的任何時間。大家可能會感到疑惑，現代科學理論已經如此精確，為何天文學家仍然不能準確預測恆星爆發的時間？這是因為恆星內部的結構非常複雜，存在諸多的不確定性。事實上，一顆大質量恆星如何在它生命末期演變為超新星爆發，是困惑了天文學家很久的難題。儘管最近一些年取得了相當多的進展，但依舊還是存在太多不能準確回答的問題。就像一些天文學家所説，參宿四究竟什麼時候成為超新星爆發，誰又能準確預測呢。

當參宿四這樣的大質量恆星耗盡燃料時，維持其核心發光的核反應就會停止。它將沒有足夠的輻射來抵抗重力，導致核心坍縮，形成一顆緻密的中子星。此時外部氣體坍縮下落過程中產生的衝擊波會將整個恆星摧毀，成為一顆非常耀眼的超新星。這顆恆星爆發時候所產生的絕對亮度，會比銀河系中其它所有恆星產生的亮度總和還要大。

如果參宿四真的爆炸，普通大眾會看到何種景象呢？那將是極其壯觀的，足以讓你大飽眼福。它的亮度甚至會超過當年的1054超新星（相比較而言，參宿四距離我們700光年，而蟹狀星雲距離我們6500光年），在連續幾個星期內，不僅白天能夠看到，晚上的時候甚至會比滿月還亮一點（滿月平均視星等為-12.74，此超新星爆發的視星等可達-12.4）。

不過你也不用過分擔心，即使參宿四發生超新星爆發，也不會傷害到地球。根據天文學家的估算，參宿四的爆炸不會破壞地球大氣層，因為它的質量不夠大，還不足以產生很強的伽馬輻射（比如伽瑪射線暴）。參宿四距離地球700光年，儘管在宇宙尺度上並不遙遠，但對地球而言也已經足夠遙遠了，所以不足以造成任何破壞。

更重要的是，從天文研究的尺度來看，參宿四距離我們很近，這將為天文學家提供極好的科學研究機會，就像當年的1987A超新星一樣。1987年2月23日，距離地球大約16萬光年的一顆恆星在大麥哲倫星雲中發生了超新星爆發，天文學家隨後將其命名為1987A超新星，它也是望遠鏡發明以來距離地球最近的一次超新星爆發（此超新星的最大視亮度為3等）。

圖5：不同波段（可見光，X射線和射電）的1987A遺蹟時間演化圖 版權：NASA

超新星爆發不僅會產生我們非常熟悉的的電磁波(包括可見光、x射線等)，同時還會產生大量高能的中微子。當時全世界共有三台中微子探測器監測了此次超新星爆發，分別是日本的超級神岡探測器、前蘇聯的巴克三中微子觀測所，以及美國的Irvine–Michigan–Brookhaven中微子探測器。這次中微子爆發過程持續了短短的13秒，而在3小時之後，1987A超新星發出的可見光才到達地球，並被地面上的天文望遠鏡觀測到。

中微子的探測幫助天文學家驗證了超新星坍縮模型，這是人類第一次在太陽之外明確地探測到了中微子信號。而這次中微子的直接探測也開創了一門新的學科分支——中微子天文學，更是拉開了多信使天文探測的大幕。日本和美國中微子探測器的負責人因此還獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

2015年9月14日，美國的激光干涉引力波探測設備終於直接探測到了雙黑洞合併的引力波，等待了上百年的引力波時代正式開啓。而在2017年8月17日，中子星的合併事件被LIGO和VIRGO探測到，這個併合事件不僅僅有引力波產生，而且更是有很強電磁信號產生，所以它也吸引了上百個科研機構的科學家，利用全球70多架地面和空間望遠鏡進行全波段觀測。

這些研究不僅讓我們直接觀察到了之前預言已久的新現象，例如千新星，驗證了一些懸而未決的理論。當然中微子探測器也進行了觀測，但是很遺憾並沒有探測到任何信號。這次觀測，多個不同探測設備的結合，讓科學家非常興奮的是，首次瞭解到了雙中子星從合併前到合併後的演化的完整過程，看到了多信使的強大威力，自此，掀起了多信使天文探測的熱潮。

圖6：雙中子星合併藝術圖 版權：Carnegie Institution for Science

在產生引力波的眾多物理機制當中，不僅有黑洞合併或者雙中子星合併，超新星爆發也是其中一種。不過根據理論計算，超新星爆發所產生引力波相對弱一些，到目前為止它還從未被觀測到。參宿四距離地球僅700光年，無論是對於從事引力波研究的物理學家、從事超新星研究的天文學家，還是對於中微子研究的高能物理學家來説，它的爆炸都將是一個千載難逢的機會，可以利用多信使的觀測手段全面近距離監測這顆恆星死亡的過程。

在接下來的時間裏，天文學家正在持續關注這顆異常的恆星。一旦參宿四爆炸，數年之後獵户座肩頭的那顆明珠將會消失，取而代之的是一片美麗的星雲，為天空增添一塊新的瑰麗景象。或許它就是獵人狩獵結束扛在肩頭的獵物，並繼續伴隨人類千百萬年的時光。無論如何，讓我們期待有生之年，能夠目睹這場宇宙壯觀煙花的綻放。

（完）