我们终于知道了参宿四变暗的原因——而事实并非你所想的那样

2019 年 11 月，当天文学家们开始流传附近的红超巨星参宿四正在变暗的传言时，天体物理学家米格尔·蒙塔格斯 (Miguel Montargès) 怀疑其中是否发生了什么异常。毕竟，这颗构成猎户星座粗壮肩膀的恒星确实有规律的变暗周期。但随着参宿四的亮度骤降，他无法忽视这一明显的异常。因此，他着手证明标准周期是偶然对齐的，并寻找能够放大我们友好的邻居红超巨星的团队和仪器。

“我的目​​标是用智利甚大望远镜拍摄一张照片，以显示这颗恒星的正常状态，”目前在巴黎天文台担任天文学家的蒙塔尔盖斯说。“当然，我完全错了。”

与此同时，谣言不胫而走。年迈的参宿四发出的闪光是不是即将爆发的壮观超新星的征兆？这种爆炸的恒星是一种罕见的景象，在我们的银河系中只观测到过五次——而且从来没有在如此近的距离内观测到过。天文学家并不这么认为，但他们无法否认这颗红超巨星正在做一些不同寻常的事情。它的亮度最终下降了大约三分之二，然后又反弹了——这是自现代测量开始以来的历史最低点。即使是肉眼可见的观星者也发现了它的变暗。

两年后，参宿四依然在夜空中，完整无损。那么，数百光年之外的猎户座角落究竟发生了什么？蒙塔日和他的团队利用世界上最强大的望远镜之一进行了观测，并仔细筛选了数千种理论，最终找到了最有可能的解释。他们的结论为天文学界提供了解决这个令人费解的难题的最佳答案。

“这是我们迄今看到的有关‘大暗化’成因的最全面的图像，”华盛顿大学天文学家艾米丽·勒维斯克 (Emily Levesque) 表示，她没有参与这项研究。“它为我们提供了一幅非常清晰的图像，让我们了解了参宿四发生了什么。”

世界一流的变焦

随着参宿四在天文学家的眼前渐渐消失，人们对罪魁祸首的猜测不绝于耳。也许只是有什么东西遮住了这颗恒星。它没有已知的双星，所以也许是星际尘埃云飘到了前面。或者围绕这颗衰老恒星的膨胀尘埃云的一部分可能变厚了。也许恒星本身已经冷却了。

为了解决这个难题，研究小组采用了地球上功率最高的变焦镜头之一：甚大望远镜上的一种仪器，称为SPHERE（光谱偏振高对比度系外行星研究的缩写）。

在大多数天文仪器中，参宿四看起来就像一个单像素斑点，周围环绕着滚滚尘埃云。但借助 SPHERE，研究人员可以放大到足以看到这颗恒星的圆形物体。这种近距离视角不仅让他们观察到参宿四变暗的事实，还让他们看到它变暗的位置。

Montargès 和他的同事利用 SPHERE 拍摄了一系列图像，这些图像以他在 2019 年暗化开始前拍摄的一张快照为基础。该团队在 12 月暗化期间又拍摄了一张，并在 2020 年 1 月和 3 月又拍摄了两张。捕捉到完整的序列纯属运气。第一张照片是在两晚观察窗口的第二个晚上拍摄的，当时云层阻碍了他们的第一次尝试。“我们最终得到了 [暗化前] 的图像，这真是一个奇迹，”比利时鲁汶天主教大学的合著者 Emily Cannon 说。

也许同样神奇的是，在疫情导致 VLT 停止运行之前，该团队在 VLT 最后一天的观测中拍摄到了最后一张照片

来之不易的快照清楚地讲述了一个故事：参宿四的下半部分在整个过程中都变暗并保持黑暗，排除了快速经过的星际闯入者的可能。

14,000 次猜测，一个答案

事件发生后的几个月里，出现了两种主要假设，两种假设都得到了不同观测结果的支持。第一种假设是附近的一片尘埃（恒星的天然面纱的一部分）似乎遮蔽了恒星明亮的表面。第二种假设是似乎还形成了一个冷斑。蒙塔尔热斯和他的团队考虑了数千种尘埃和冷斑可能以不同方式出现的模型，总共约 14,000 种，以寻找与 SPHERE 图像最匹配的理论。他们最终得出结论，这两种效应共同作用导致恒星变暗。

他们认为事情是这样的。在大暗化发生前大约一年，参宿四喷出大量气体，释放出一团氢和其他原子云。然后，偶然地，恒星表面的一大片区域冷却下来。对流搅动着所有恒星，较热的物质上升并在表面形成快速冷却的气泡——天文学家最近在我们自己的太阳上观察到了这种爆米花状的现象。

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在像参宿四这样蓬松的红超巨星中，这些细胞可以覆盖恒星表面的四分之一，向太空发出一股寒流。寒流让气体云有机会沉淀下来，并结合成粗糙的尘埃分子。然后，这团烟尘云阻挡了恒星的光线到达地球。该团队于 6 月 16 日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。

“人们已经提出了其中的各个部分，而这篇《自然》论文将它们完美地整合在一起，”撰写了附带分析的 Levesque 说。

附近的恒星试验台

尽管参宿四尚未准备好让现代天文学家了解超新星的细节，但大暗化事件正在帮助他们了解至少是太阳质量八倍的恒星的最终行为。

“参宿四为我们研究红超巨星提供了令人惊叹的邻近试验台，希望现在我们可以将其应用到整个恒星研究中，”Levesque 说。

理论家们已经知道冷斑和气体打嗝可能很常见，但仔细观察这些行为如何相互作用可以阐明恒星风如何从恒星表面发射。

恒星风负责将形成行星和人类的重原子传播到整个宇宙，也决定这些重恒星在其生命末期是否有足够的重量坍缩成黑洞（参宿四最终可能会变成中子星，但它正处于变成黑洞的边缘）。

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参宿四比其他红超巨星离地球更近，因此天文学家可以清楚地看到它，以便真正弄清楚它发作时发生了什么。事实上，这颗附近的恒星非常明亮，其炽热的射线很容易损坏精密的天文设备。“你对参宿四最大的担心是你会烧坏探测器，”坎农说。

许多人期待的戏剧性爆炸即将到来，但具体何时到来，谁也说不准。它可能在未来 10 万年左右的任何一天到来。蒙塔格斯对参宿四怀有深厚的感情，这是他小时候学会叫出名字的第一颗恒星。他期待着在余下的职业生涯中继续研究这颗红超巨星。”

当我 70 岁时，也许我可以接受 [它以超新星的形式爆炸]，”他说。“或者 80 岁。当我 80 岁时，一切都很好。”