参宿四：点燃超新星希望的巨星指南
参宿四是一团沸腾的气体。
(图片鸣谢:阿尔玛(埃索/纳奥伊/NRAO)/e·奥格曼/p·克韦拉)
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Tereza Pultarova）：参宿四是夜空中最亮的恒星之一，也是天文学家已知的最大的恒星之一。
参宿四形成了猎户座的左肩，是一颗所谓的红巨星，一颗处于生命最后阶段的恒星，这有时会引发人们猜测它可能很快爆炸成为超新星。
参宿四距离地球约650光年，也被称为猎户座阿尔法星，通常在夜空中排名第十。
然而，这颗恒星以其周期性的变暗和变亮而闻名，这有时会使它在排名中有所上升或下降。
天文学家认为参宿四只有1000万年的历史，比我们的太阳年轻50倍。
尽管参宿四相对年轻，但其核心的氢燃料已经耗尽，现在处于其生命的最后红巨星阶段，将氦融合成碳。
参宿四的生命周期
参宿四快节奏生活的原因是它可能生来就非常庞大。
据《科学警报》(ScienceAlert)报道，参宿四曾经是一颗蓝白色O型星，是主序中质量最大的一种，燃氢星。
恒星越大，发出的光越亮，燃烧的温度越高。
而且它耗尽氢的速度越快，就越快变成红巨星。
在其全盛时期，参宿四的质量肯定是我们太阳的几十倍，亮度也是我们太阳的几十到几百倍。
与太阳“不冷不热”的10，000华氏度(5，500摄氏度)相比，它表面的温度可能已经达到令人难以置信的89，500华氏度(50，000摄氏度)。
在参宿四耗尽氢并开始燃烧氦之后，它的外壳膨胀得远远超过了原来的大小。
今天，参宿四是已知最大的恒星之一，直径超过7亿英里(12亿公里)。
如果参宿四取代太阳成为太阳系的中心，它将一直延伸到木星。
另一方面，这颗恒星不再像过去那样热了。
在华氏5800度(摄氏3300度)的温度下，参宿四的表面现在比太阳表面更冷。
然而，根据美国宇航局的说法，这颗恒星比我们的恒星亮7500到14000倍。
哈佛大学研究参宿四的理论天体物理学博士后摩根·麦克劳德告诉《Space.com》说，由于其巨大的体积和相对接近地球，参宿四是极少数可以通过地球上和轨道上的望远镜进行更详细研究的恒星之一
麦克劳德说:“除了我们的太阳，大多数恒星根本无法进行任何细节的研究。
”“我们只把它们看作点光源。
但是参宿四足够大，我们可以用哈勃太空望远镜和射电望远镜来分辨它。
”
这些图像揭示了一个非常不同于我们太阳的惊人天体。
参宿四不是一个光滑的超高温等离子体球体，而是一团沸腾的气泡，其中一些气泡有一颗小恒星那么大。
巨大的炽热物质从参宿四的核心上升到表面，然后冷却并消失在内部。
这就像大剂量类固醇下的太阳周期。
相关:奇怪的超巨星参宿四正在变亮。
它会变成超新星吗？
2019年，参宿四突然以前所未见的方式变暗。
(图片来源:ESO/M. Montargès等人)
参宿四的巨大昏暗
近年来，参宿四因为其行为变得有些古怪而成为头条新闻。
几个世纪以来，天文学家观察到参宿四的亮度以400天为一个有规律的周期消长，上升到0.3的量级，然后变暗到大约0.8(量级是衡量恒星亮度的一个指标，与实际观察到的亮度成对数反比，因此数字越低，物体越亮。
例如，在其最亮时，金星的亮度约为-4.6)。
但在2019年12月，这颗恒星突然变得比以往任何时候都暗2.5倍。
这一事件的起因被称为“大变暗”，后来被追溯到恒星内部物质的大量排出，产生了巨大的尘埃云，随后遮蔽了我们对恒星的观察。
尽管尘埃云已经消散，参宿四也恢复了往常的亮度，但这颗恒星已经不再是原来的它了。
其400天的亮度振荡周期已经减半至200天，最重要的是，在2023年春天，这颗恒星开始变亮，超过其通常的峰值光度。
借助现代望远镜，天文学家每晚都能观测到几次超新星爆炸。
然而，大多数都太远了。
参宿四超新星会有所不同。
(图片来源:M. Weiss/NASA/CXC via Getty Images)
参宿四超新星
参宿四的古怪行为引发了人们的猜测，认为它可能很快会爆炸成为超新星。
超新星爆炸是大质量恒星的绝唱。
在消耗完核心中的所有氦之后，红巨星开始将碳和氧燃烧成氖和镁，然后将它们燃烧成硅。
最终，恒星的核心充满了铁。
这就是烟火开始的时候。
“给铁原子添加氦核实际上是提取能量，而不是释放能量，”麦克劳德说。
“所以突然间，恒星的中心开始吸收能量，而不是释放巨大能量的反应。
当这种变化发生时，恒星的中心会从内向外塌缩，这就导致了我们所说的核心塌缩超新星。
”
超新星爆炸如此明亮，以至于它们短暂地超越了整个星系。
借助目前灵敏的望远镜，天文学家可以在宇宙最遥远的地方发现超新星。
一夜之内可以探测到多次这样的爆炸，但是大多数爆炸都离我们太远了，我们这些凡人无法注意到。
参宿四超新星会有所不同。
由于恒星离得很近，爆炸会非常明亮，即使在白天也能看到。
“当它发生时，这颗恒星将变得像满月一样明亮，只是它将集中在一个点上，”巴黎天文台空间研究和天体物理仪器实验室的博士后研究员兼参宿四专家Miguel Montargès告诉Space。
“在大约两个月的时间里，它会非常明亮，如果你关闭一个城市的所有灯，并且没有云，你就可以在超新星的光线下看书。
”
参宿四是猎户座中第二亮的星，(图片来源:艾伦·戴尔/大众图片/环球图片集团通过盖蒂图片)
在我们有生之年，参宿四变成超新星的可能性有多大？
有了这样一个奇观的承诺，难怪天文学家希望参宿四死掉。
上一次我们银河系中的大质量恒星变成超新星是在著名天文学家约翰尼斯·开普勒的时代。
根据历史记录，SN 1604超新星，也被称为开普勒超新星，在白天的天空中明亮地照耀了三周，
但是大多数研究参宿四的天文学家降低了期望值。
根据最被接受的模型，这颗恒星只是处于红巨星生命的早期阶段，正在愉快地融合氦，距离爆炸还有数万年的时间。
“氦燃烧阶段长达几十万年，”蒙塔格说。
“然后下一个阶段会持续一万年，然后几千年，然后是一个世纪，最后一个阶段只是爆炸前的几天和几小时。
”
虽然参宿四足够近，天文学家可以研究其大气的化学成分，但没有现有的仪器可以窥视恒星的核心，看看它是否真的融合了氦，或者已经融合了碳和氧。
蒙塔格说，因此大多数关于参宿四状态的假设都是基于对其他红巨星的观察
例如，另一颗被称为VY CMa的银河系红巨星，距离地球3900光年，位于犬星座，被认为比参宿四更接近死亡时刻。
但与明亮的参宿四不同，在过去的100年里，这颗恒星一直在变暗。
“一百年前，VY CMa曾经是肉眼可见的，”Montargès说，“但是它排出了如此多的物质，以至于我们现在只能在红外线下才能看到它。
当恒星接近超新星爆发时，我们预期会看到这种物质的排出。
VY CMa已经去除了大约60%的原始物质，而参宿四仍然有95%的原始物质
这位天文学家补充说，根据历史记录，直到2000年前，参宿四曾被描述为一颗黄色的星星，当时诗人开始将其描述为红色。
蒙塔格认为，这可能表明参宿四只是处于红巨星的早期阶段。
如何观察参宿四
参宿四是天空中第十亮的星，即使在光污染最严重的城市也很容易找到和观察。
在北半球和南半球的冬季，猎户座照亮了夜空。
这个星座最明显的特征是由三颗明亮的星星组成的带。
在它们的上方是三角形，应该是猎户座的头和肩。
左边略带红色的星是参宿四，是该星座第二亮的星。
专家解答的参宿四常见问题
我们问了天体物理学家摩根·麦克劳德一些关于参宿四的常见问题。
摩根·麦克劳德
哈佛大学天体物理学家
摩根·麦克劳德是哈佛史密森天体物理中心的天体物理学家。
他利用计算建模和模拟方法研究恒星和恒星系统。
为什么天文学家对参宿四感兴趣？
参宿四是一颗神奇的恒星。
这是猎户座的一个肩膀，所以当我们抬头看猎户座时，它就在我们面前。
除了太阳之外，大多数恒星我们实际上看不到任何细节，我们只是把它们看作点光源。
但是参宿四在我们的天空中足够大，我们可以用哈勃太空望远镜和射电望远镜来分辨它。
我们在这些图像中看到的是这颗恒星是凹凸不平的。
它不是一个完美的球体。
就是这种块状沸腾的东西，那些块状物的大小和恒星差不多。
我们看到参宿四内部正在发生强烈的对流。
整个恒星本质上以一种极端的方式沸腾着。
我们在太阳上看到对流，但是与太阳的大小相比，太阳的对流胞实在是太小了。
参宿四的沸腾程度完全不同。
你认为参宿四会很快变成超新星吗？
我们最好的模型表明参宿四离最终爆炸还有一段相对较长的时间。
因此，如果这些模型是正确的，我们谈论的是数万年或者十万年。
在超新星爆发的其他恒星中，我们看到了类似于参宿四的阶段。
有明亮和暗淡的爆发，这表明我们在参宿四看到的这种难以置信的强烈和暴力的对流是一些红色超巨星超新星爆炸的一部分。
但我们也认为，在恒星爆炸之前，它可能会持续相当长的一段时间。
天文学家想知道答案的一个问题是，是否有任何迹象表明一颗恒星距离爆炸成为超新星还有一年、十年或一千年？现在，我们只是不知道。
但这也是为什么我们如此详细地研究参宿四的部分原因，因为我们认为它是那种经历了那种进化路径的恒星的一个例子，并且它是(这种恒星的)最接近的例子，所以我们有机会解析它在天空中的结构并以令人难以置信的细节研究它。
关于参宿四的大昏暗你知道些什么？
2019年的变暗是天文学家跟踪参宿四亮度的100多年来最重要的一次。
这颗恒星在几个月的时间里变暗，然后又变亮，接近正常水平。
但在那之后，我们注意到这颗恒星通常的脉动周期从400天变成了200天。
我们想了解这两件事之间的联系。
所以我们用计算机模拟研究了这一过程，我们发现最有可能的是，在参宿四沸腾的内部，两个真正大的流体团以一种特别戏剧性的方式相遇，这种情况可能一个世纪才发生一次。
那次碰撞将大量的物质送到了地表，并在它前面产生了冲击波。
当这团物质到达地表时，一些物质从地表喷发出来，但与此同时，内部开始塌陷。
所以本质上，恒星的外部和内部变得不同步，我们认为这导致了脉动周期的变化。
你认为参宿四在未来几年会发生什么？
我们认为，在未来的五到十年内，它将回到400天周期的变暗和变亮。
ALMA 观测行星形成的尘埃遗址
左面板显示了之前在0.87毫米处的ALMA观测结果，右面板显示了3毫米处的新ALMA观测值。
合成图像将毫米/亚毫米连续图像与ALMA（红色）、W.M.Keck天文台的红外连续图像（绿色）和VLT拍摄的氢发射线的光学图像（蓝色）相结合。
图像显示，ALMA观测到的尘埃排放在Keck和VLT探测到的行星外形成了环状结构。
在3毫米的波长处，可以明显看到粉尘排放集中在西北方向（图像的右上角）。
来源：uux.cn/ALMA（ESO/NAOJ/NRAO），W.M.Keck天文台，VLT（ESO），K.Doi（MPIA）（神秘的地球uux.cn）据ALMA望远镜：阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）通过在刚刚形成的行星轨道外检测到高浓度的尘埃颗粒（一种行星形成材料），成功地观测到了行星形成的地点。
由Kiyoaki Doi领导的一个国际研究小组，当时是日本国家天文台（NAOJ）/高级研究生大学SOKENDAI的博士生，目前是马克斯·普朗克天文学研究所的博士后，用ALMA对一颗名为PDS 70的年轻恒星周围的原行星盘进行了3毫米波长的高分辨率观测。
该天体拥有两颗已知的行星，新的ALMA观测揭示了行星轨道外尘埃颗粒的局部积聚。
这一发现表明，已经形成的行星为行星积累了物质，并促进了下一颗行星的潜在形成。
这项工作有助于揭示由多个行星组成的行星系统的形成过程，如太阳系。
这篇题为“ALMA波段3观测揭示的PDS 70盘的不对称尘埃积聚”的文章已被《天体物理学杂志快报》接受发表。
它可以在arXiv预印本服务器上找到。
迄今为止，已经在太阳系内外发现了5000多颗行星。
在某些情况下，它们组成了由多个行星组成的行星系统。
这些行星被认为起源于围绕年轻恒星的原行星盘中的微米级尘埃颗粒。
然而，这些尘埃颗粒是如何在局部积累并导致行星系统形成的，目前尚不清楚。
PDS 70是唯一已知的在原行星盘内具有已形成行星的天体，这一点已通过光学和红外观测得到证实。
揭示该天体中尘埃颗粒的分布将有助于深入了解已经形成的行星如何与周围的原行星盘相互作用，并可能影响随后的行星形成。
之前对0.87毫米ALMA的观测揭示了行星轨道外尘埃颗粒的环形排放。
然而，发射源可能在光学上很厚（不透明，近侧的灰尘颗粒会遮挡后面的灰尘颗粒），观察到的发射分布可能无法准确反映灰尘颗粒的分布。
由Kiyoaki Doi领导的研究人员使用ALMA在3mm波长下对PDS 70周围的原行星盘进行了高分辨率观测。
3mm处的观测值在光学上更薄（更透明），从而更可靠地提供了尘埃颗粒的分布。
3毫米的新观测结果显示，与之前的0.87毫米观测结果不同，尘埃排放集中在行星外尘埃环内的特定方向。
这表明，尘埃颗粒是行星的组成部分，在狭窄的区域积聚并形成局部团块。
行星外的尘埃团表明，已经形成的行星与周围的星盘相互作用，将尘埃颗粒集中在轨道外缘的一个狭窄区域。
这些聚集的尘埃颗粒被认为会生长成一颗新行星。
行星系统的形成，就像太阳系一样，可以通过重复这个过程从内到外依次形成行星来解释。
这项工作通过观测捕捉了已经形成的行星如何与周围环境相互作用并触发下一颗行星的形成，有助于我们理解行星系统的形成。
领导这项工作的Kiyoaki Doi说：“天体由多个组件组成，每个组件都发射不同波长的辐射。
因此，在多个波长下观察同一物体可以提供对目标的独特视角。
“在PDS 70中，行星是在光学和红外波长下发现的，而原行星盘是在毫米波长下观察到的。
这项工作表明，即使在ALMA的观测波长范围内，星盘也表现出不同的形态。
“这突显了跨不同波长观测的重要性，包括使用ALMA进行多波长观测。
使用不同望远镜在不同观测设置下观测目标的多个组成部分对于全面了解整个系统是必要的。
”
TESS发现土星大小的系外行星TOI
来源：uux.cn/Rodriguez等人，2024。
（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（Tomasz Nowakowski）：利用美国国家航空航天局的凌日系外行星勘测卫星（TESS），一个国际天文学家团队探测到一颗围绕一颗遥远恒星运行的新系外行星。
这个新发现的外星世界被命名为TOI-4994b，它很温暖，比土星稍小。
这一发现发表在12月3日预打印服务器arXiv上的一篇研究论文中。
迄今为止，TESS已经确定了7300多颗候选系外行星（TESS感兴趣的天体，或TOI），其中571颗已被确认。
自2018年4月发射以来，该卫星一直在对太阳附近约20万颗最亮的恒星进行调查，目的是寻找凌日系外行星，从小型岩石世界到气态巨星。
现在，由马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的Romy Rodriguez领导的一组天文学家证实了TESS监测到的另一个TOI。
他们在TOI-4994的光曲线中发现了一个凌日信号，这是一颗与太阳大小和质量相当的G型恒星，距离约1079光年。
该信号的行星性质得到了使用地面望远镜（包括Las Cumbres天文台全球望远镜（LCOGT））的后续观测的证实。
研究人员解释说：“在TESS的第12区首次检测到一个周期为21.5天的凌日信号，随后通过地面的后续光度测定得到了证实。
”。
这颗新发现的行星的半径约为0.76木星半径，其质量估计为0.28木星质量，其密度与土星相似，为0.78 g/cm3。
TOI-4994b每21.5天绕其宿主运行一次，距离宿主0.15天文单位，其平衡温度约为717.6 K。
因此，TOI-4994b的性质与土星相似，可以归类为温暖的土星系外行星。
一般来说，已知的温暖土星的数量仍然相对较少，因为迄今为止发现的这类行星不到20颗，这使得TOI-4994 b成为该样本的有价值的补充。
该论文的作者指出，TOI-4994 b的性质也表明，其历史是由行星间的散射和可能的合并形成的。
然而，为了证实这一点，还需要进一步的观察。
他们补充说，这颗行星是后续恒星倾角测量的良好候选者。
当谈到母恒星TOI-4994（也称为TIC 277128619）时，它的半径约为1.05太阳半径，而它的质量与太阳相当。
这颗恒星估计有63亿年的历史，有效温度为5640 K，金属丰度为0.165 dex。
