科学家借助新技术发现参宿四可能比之前认知的更小也更近

参宿四和太阳的尺寸比较(模拟)
参宿四太阳的尺寸比较(模拟)

说到参宿四,很多爱好天文或者是科普的朋友可能并不会感到陌生,这颗恒星一般会出现在和太阳大小比较的文章和视频中,因为其属于一颗红超巨星,所以其体积极为巨大,如果它代替太阳的话,它的表面能够延展到火星和木星之间的小行星带上。

同时参宿四也是天空中最亮的恒星之一,又是一颗变星,据说随时可以发生超新星爆发。这样一颗非常具有特点的恒星对于天文学家来说,就是一个重点关注对象,从1850年至今,科学家已经发表了将近1500篇关于参宿四研究的科学论文。

虽然是这样,其实科学家对参宿四的了解依然不够准确,特别是关于参宿四的半径和质量,目前并没有一个很准确的说法。

最近有一些科学家设计了一套天体物理学实验模型(MESA)来研究参宿四,这套模拟模型通过三个方面来对恒星进行模拟:恒星演化、星震和流体动力学。通过这个模型,科学家将会获得对参宿四的恒星参数和当前演化阶段最准确的预估。

MESA可以对一些无法直接从光度、光谱或者干涉观测中得出参数的恒星进行非常可靠的预估。本质上,这套模拟模型能够使用已知参数作为控制数据,最终能够演化出一个模拟恒星,并获取这个模拟恒星的各项数据。这个模型必须要和已观测数据以及恒星结构、天体物理动力学领域的知识结构一致。

正是借助于这样的一个模型,科学家发现真实的参宿四可能之前的认知有很大的不一样。

参宿四的耀眼亮度
参宿四的耀眼亮度

该研究最有趣的结果之一是发现了双脉动,这与发现参宿四的特定进化阶段有关。人们早就知道这颗恒星是一个半规则变量。尽管如此,这篇论文重新定义了一个已知的可变周期的持续时间,并增加了第三个周期。其作者发现基本脉动周期持续416±24天,而不是其他作者在2006年的一项研究中指出的388±30天。在这段可变性期间,他们又增加了一个,持续185±14天,代表参宿四脉动模式中的第一个泛音。

这两种脉动都是由所谓的kappa机制产生的,这是主序外的巨星和超巨星的典型特征。它包括由于压力、温度和辐射不透明度的变化而导致的恒星外层的周期性膨胀和收缩。它就像恒星的“呼吸”,在亮度和径向速度的周期性变化的观察中表现出来。

由于kappa机制以外的原因,参宿四还具有持续2050±460天的第三个可变周期,其他作者已经确定了这一点。这些原因是什么尚不清楚。它可能是一个循环,与返回恒星表面的对流的运动有关,或者与不可见的双星伴星相互作用的结果。

从研究中描述的模拟中获得的最可靠数据之一涉及参宿四的当前进化阶段。这颗红超巨星早已耗尽了其核氢储备,现在正处于由核心中积累的氦聚变为恒星亮度提供燃料的早期阶段。

从模拟中获得的其他数据是对参宿四的初始和当前质量的估计。第一个介于18到21个太阳质量之间,而第二个介于16.5到19个太阳质量之间。其中,氦核中包含大约6-7个太阳质量。这些数值与以往研究提供的数据基本吻合。

至于参宿四半径,在大量现有科学文献中发现的估计值在最小500到最大1100太阳半径之间变化。另一方面,星震模拟对参宿四半径设置了更严格的限制,该半径是在764个太阳半径中计算的(以3西格玛精度),不确定性裕度为116个太阳半径和62个太阳半径。由于太阳半径为695700公里,因此764个太阳半径对应于5.315亿公里或地球和太阳之间平均距离的3.6倍。换句话说,如果参宿四位于太阳的位置,我们的星球将位于恒星的内部,火星也是如此。

与参宿四的主恒星参数的表
与参宿四的主恒星参数的表格

此外,参宿四半径的确定还能帮助科学重新计算恒星的距离。因为这颗红超巨星的角直径是精确已知的。用干涉测量技术测量,它等于42.28±0.43mas(毫弧秒或千分之一弧秒)。从这些数据中,科学家获得了参宿四视差角的新测量值,这是第一个根据星震数据计算得出的。他们发现的值为5.95mas,不确定性为+0.58和-0.85mas。与这样的视差角对应的距离为168秒差距,误差为+27和-15秒差距。这远小于最近通过一系列无线电观测后的天体测量获得的222秒差距。

对参宿四距离的新评估还提供了对其亮度的最新估计,科学家估计参宿四的亮度大约为太阳光度的87000倍。

一个参数与任何模拟和恒星模型都不协调:旋转速度。光谱数据表明参宿四的自转速度至少为每秒5公里,对于典型自转速度不应超过每秒0.1公里的红超巨星来说,这是难以置信的高。目前,唯一合理的解释是参宿四曾经有一个伴星,后来这颗伴星和参宿四合并引发了角动量转椅从而增加了参宿四的自旋速度。

鉴于其相当大的质量,参宿四的最终命运已经写好。它将通过超新星爆炸(II型或核心坍缩超新星)来结束自己的“生命”。何时发生这种情况就不太清楚了。一切都取决于恒星在其存在的最后阶段的湍流中将经历的质量损失,这是目前无法准确预测的因素。

距离地球约11,000光年的超新星遗迹仙后座A的合成图像(X射线、可见光、红外线、无线电波)。根据它的光谱,它是由一颗大质量恒星爆炸产生的IIb型超新星,可能是一颗具有氦核的红超巨星,在爆炸前它已经失去了大部分的氢包层。参宿四的超新星爆炸将产生类似于此的残余物。
距离地球约11,000光年的超新星遗迹仙后座A的合成图像(X射线、可见光、红外线、无线电波)。根据它的光谱,它是由一颗大质量恒星爆炸产生的IIb型超新星,可能是一颗具有氦核的红超巨星,在爆炸前它已经失去了大部分的氢包层。参宿四的超新星爆炸将产生类似于此的残余物。

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