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  • 参宿四

    参宿四(猎户座α,Betelgeuse,源自阿拉伯语,意思是腋下),在拜耳命名法是著名的猎户座α (α Orionis或α Ori),是全天第10亮星,也是猎户座第二亮星。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 参宿四 直径: 1260
    质量: ~18–19M☉(太阳质量) 直径: 1260
    自转周期: 148920 表面平均温度: 3500

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    简介/参宿四 编辑

    参宿四参宿四

    参宿四(猎户座α,Betelgeuse,源自阿拉伯语,意思是腋下),在拜耳命名法是著名的猎户座α (α Orionis或α Ori),是全天第10亮星,也是猎户座第二亮星,只比邻近的参宿七猎户座β)暗淡一点。

    参宿四是有明显红色的半规则变星,视星等在0.2至1.2等之间变化著,是变光幅度最大的一等星。这颗恒星标示着冬季大三角的顶点和冬季六边形的中心。

    参宿四亮度在0.06至0.75等之间变化,变光周期为5.5年,属于不规则变星。

    参宿四平均的绝对星等是-6.05等,距离地球约640光年,质量为太阳的15倍,表面温度3500开,光度为太阳的10万倍,体积为太阳的325万倍,是已知最大和最亮的恒星之一。

    参宿四是第一个直接用恒星干涉仪测定角直径的恒星。如果它位于太阳系的中心,它的表面会超越小行星带,并可能抵达并超越木星的轨道,完全的席卷掉水星金星、地球和火星。但是,在20个世纪对参宿四的距离估计从180光年至1,300光年不等,因此对其直径、光度和直量的估计是很难被证实的。 

    分类学/参宿四 编辑

    在分类上参宿四是一颗M2Iab型红超巨星,半径在太阳的700倍到1000倍间变化,而半径的变化使得它的光度也跟着变化(在0.4至1.3等间变化)。

    基本信息/参宿四 编辑

    所属星座:猎户座
    恒星位置:赤经 05h 55m 10.3053s、赤纬 +07° 24′ 25.426″
    目视星等 (V): 0.58等 (0.3 – 1.2)

    光谱分类:M2Iab(红超巨星),B-V 色指数 1.85(橙红)、U-B 色指数 2.06
    变星类型:SR c(半规则变星)
    径向速度 (Rv):+21.0 km/s ,自行 (μ) RA:24.95 ± 0.08 mas/yr、Dec.:9.56 ± 0.15 mas/yr
    恒星视差 (π) :5.07 ± 1.10 mas
    绝对星等 (MV) :−5.14
    恒星质量:14 M☉
    恒星半径:630 R☉
    恒星亮度:63,000 (40,000–100,000) L☉
    表面温度:3,500 K
    自转周期:17 年 (14.6 km/s)
    其他命名:猎户座α,Alpha Orionis, 58 Ori, HR 2061, BD+7°1055, HD 39801, SAO 113271, FK5 224, HIP 27989.

    观测/参宿四 编辑

    参宿四参宿四

    射电频谱观测表明,参宿四既有大气射电,也有恒星圆面射电。通过2.1米望远镜电视分光装置观测,发现参宿四周围已形成极厚的气壳,至少伸展到本星半径约600倍处,这表明该星向星际空间抛出了大量物质。还有人认为参宿四至少有两个星周壳层,它们分别离本星约五十和几百个半径处,膨胀速度分别约每秒钟11和17公里。

    参宿四的距离迄今难于测准(大约200秒差距),因此关于它的真半径、光度等尚缺乏可靠数据。美国基特峰天文台曾用4米望远镜结合星像处理技术获得了参宿四圆面的照片。

    参宿四已走入生命末期,推测在未来数百万年中,可能变成Ⅱ型超新星。

    天文学上,参宿四是很有趣的。它是最初几个利用到天体干涉仪测量出直径的恒星之一。天文学家发现它的直径是不定的,由最小的290,000,000公里到最大的480,000,000公里,比木星围绕太阳的公转轨道的直径还要大。

    预测/参宿四 编辑

    天文学家预计参宿四最终会以II型超新星爆发来结束它的生命,或是其质量只足够变成一颗白矮星。但各方对它还有多长寿命并没有一致的意见:有些人认为它的直径不停变化代表着参宿四正在融合它的碳原子,而会在数千年之内变成超新星;不同意这观点的人则认为它可以生存更久。

    如果真的发生超新星爆发,其光度将增至原来的1万倍以上,约为弦月的光度,也有一些预测指,最大光度甚至可与满月一样亮(负12.5等)。超新星的光将持续数月,在日间也能看见,然后将会逐渐转暗,在肉眼的夜空中消失,猎户的手臂将消失,在数个世纪之后,将会演变成星云。但是,如果这颗中子星的自转轴是朝向地球,那便较为麻烦了,它释出的高能伽玛射线及宇宙粒子将如雨般直达地球,并将削弱臭氧层,在多处天空均会出现极光。

    位置/参宿四 编辑

    参宿四参宿四

    参宿是冬季星空中最美丽而明亮的星宿之一。在它的北面是五车星官,西面有毕宿大星,东南面有全天第一亮星——天狼星。在参宿的七颗主星中有一颗0等星,即参宿四;一颗1等星,即参宿七;五颗2等星,即参宿一(猎户座ζ)、二(猎户座ε)、三(猎户座δ)、五(猎户座γ)、六(猎户座κ)。

    观测历史/参宿四 编辑

    参宿四自古以来就是颗受到注意的红色恒星:《史记·天官书》说:“参为白虎。三星直者,是为衡石。下有三星,兑,曰罚,为斩艾事。其外四星,左右肩股也。小三星隅置,曰觜,为虎首。”

    这段话的意思是说,有三颗星横向排列在星空中,差不多正好在赤道上,称之为衡石,即一块起到平衡作用的石头,因此,衡石的含义,就是赤道的中腰,也是白虎的中腰。这三颗星就是参宿的标志星,参宿之名就源于此。

    古天文学家托勒密将他的颜色描述为"ὑπόκιρρος",稍后此一描述在乌鲁伯格的Zij-i Sultani被翻译为rubedinis,意思如同拉丁文的红色 (ruddiness)。

    在科学革命之前,天文学史与神话和占星学有着密切的关系,红星,像行星火星之名是从罗马的战神衍生出来的,并通过母体的死亡和再生来扩展,与原型 martial有着密切的关系。在现代的恒星分类法创立之前,安吉洛·西奇自创的光谱分析将参宿四作为第三类 (橘色至红色恒星) 的原型。

    在1836年约翰·赫歇耳爵士首次描述了参宿四的光度变化,他将此一发现发表在天文学大纲 (Outlines of Astronomy):他注意到活动在1836年—1840年的增加,以及随后的减少。在1849年,他注意到一个较短周期的变化,并在1852年达到高峰。后续的观测记录到每隔几年就有不寻常的高峰,但在1957年至1967年只有很小的变化。

    美国变星观测者协会 (AAVSO) 的记录显示最大的视星等 (亮度) 在1933年和1942年是0.2等,最暗的视星等出现在1927年和1941年,是1.2等。这样的光度变化常被人错误的用来解释拜耳为何在1603年出版的Uranometria中将参宿四命名为猎户座α,而更亮的对手参宿七却只是猎户座β。

    在1920年,阿尔伯特·迈克逊和Francis Pease在威尔逊山天文台2,5米 (100寸)的望远镜前方安装了6米 (20尺) 的干涉仪,在John Anderson的协助下,他们三人测出参宿四的角直径是0.047",基于当时的视差是0.018",转换成图形的结果是直径达到3亿8,400万公里 (2亿4,000万英里或2.58天文单位)的大圆。但是由于未知的不确定性,像是周边昏暗和测量误差-是将近一世纪的科学调查重点的中心主题。从第一次以可见波长测量,研究人员已经从中红外线至紫外线的范围进行多种的调查,但获得的结果仍有待确认。

    在1950和1960年代在科学上展现出重要的发展,两个同温层望远镜计划和在1958年发表的恒星的结构和演化,主要的工作者是密切合作的马丁·史瓦西和普林斯敦大学的Richard Härm。这本书教导新一代的天文物理学家如何使用初期的电脑技术创建恒星模型,当同温层望远镜计划利用气球将仪器带到大气层之上,克服地球大气湍流,产生一些前所未见的米粒斑和太阳黑子的细致影像,从而证实太阳大气中存在着对流。这两项发展都证明,对我们了解像参宿四这种红巨星的结构,有着意味深长的冲击。

    研究/参宿四 编辑

    在1920年,参宿四是第一颗被测出角直径的恒星 (除太阳之外)。目前估计这颗恒星的视直径在0.043~0.056角秒,作为一个移动的目标,参宿四似乎周期性的改变它的形状。参宿四有一些复杂的、不对称的包层,引起巨大的质量流失,涉及从表面向外排出的庞大冠羽状气体,使事情变得更为复杂。甚至有证据指出在它的气体包层内有伴星环绕着,可能有助于这颗恒星古怪的行为。

    天文学家认为参宿四的年龄只有1,000万年,但是因为质量大而演化的很快。他被认为是来自猎户座OB1星协的奔逃星,还包含在猎户腰带的参宿一、参宿二、和参宿三等0和B型晚期恒星的集团。以现行恒星演化的晚期阶段,预料参宿四在未来的数百万年将爆炸成为II型超新星。因为参宿四与地球的距离在497和789光年之间,因此参宿四可能在数个世纪前已经成为超新星,如果出现这种情况,光线依然在传递的过程中。

    在20世纪的70年代,来自柏克莱在太空科学实验室工作的Antoine Labeyrie在红外线和可见光的干涉仪上看见几个值得注意的进展,当时研究人员开始从多架望远镜上组合影像,不久之后发明了"条纹追踪 (fringe-tracking)"技术。但是直到1980年代末期和1990年代初期,使用孔径遮罩干涉常规性的观测参宿四时,才在可见光和红外影像上有了重大的突破。开创的约翰E.鲍德温和卡文迪许天体物理组的其它同事,以新技术在恒星的光球上揭露出一些明亮的斑点,并且对参宿四提供了最精确的测量。这是除了太阳之外,第一次获得恒星盘面的可见光和红外线影像;第一次从地面的干涉仪和以后来自高解析的COAST望远镜,“亮斑”或“热点”有力的巩固史瓦西早在数十年前提出的大质量对流细胞主导了恒星表面的理论。

    在1995年,哈柏太空望远镜的暗天体照相机捕捉到可以分析的紫外线影像-第一次以传统的望远镜获得另一颗恒星盘面的影像 (或NASA的专门术语所谓的“直接影像”)。由于地面的仪器使用相同波长的紫外线无法获得与哈柏同样精确度的影像。如同早期的影像,这些紫外线的影像也有一个亮斑,显示有一个2,000K的区域,在这个例子中位于恒星表面的西南部,其后由戈达德高解析摄谱仪的紫外线光谱认为热点是参宿四自转的轴点之一。这会使参宿四的自转轴对地球的方向倾斜大约20°,与天球北极的方位角约为55°。

    美国变星观测者协会从1988年12月至2002年8月的参宿四(猎户座α) V-频道光度曲线。21世纪的第一个10年在许多方面都获得了重大的进展,最核心的是在不同的波长上获得恒星光球的影像,和对参宿四复杂星周壳的研究。在来到千禧年之际,使用红外线空间干涉仪 (Infrared Spatial Interferometer,ISI) 以中红外线测量,估计出参宿四周边昏暗是55.2 ± 0.5 mas,与迈克逊80年前发现的图完全一致。在他发表的时候,从依巴谷任务估计的视差是7.63 ± 1.64 mas,因此估计参宿四的半径是3.6天文单位。来自智利帕拉那天文台的干涉仪在近红外线上的诸多研究却引起更多对直径的争论。在2009年6月29日,诺贝尔得主查理斯·汤发表了这颗恒星自1993年在速率的增加上已经萎缩了15%。半径减少与相对恒定通量耦合的此一发现,成为恒星结构理论的一些根本问题。

    在2009年7月,欧洲南方天文台释出由甚大望远镜干涉仪 (VLTI) 获得的影像,显示巨大的羽流气体喷射到周围的距离几乎远达到30天文单位。 这相当于太阳与海王星之间的距离,但是这种物质抛射只是发生在周围大气诸多动态中的一种。天文学家发现在参宿四周围至少有6种不同的壳层活动。当本世纪开始时,解决恒星演化阶段的质量损失之谜,或许可以揭示这些超巨星突然爆炸的因素。

    在SIMBAD的列表中,参宿四的视星等是0.42,使它的平均亮度是天球上的第9亮星,正好就在水委一的前面。但因为参宿四是一颗变星,它的光度变化范围在0.2至1.2之间,因此有的时候他的光度会超越南河三,成为全天第八亮星。 

    来自ESO的甚大望远镜所显示的图像,不仅有恒星的盘面,还有以前不知道的被气体围绕着的烟羽伴随着扩展的大气层。参宿四的色指数 (B–V) 是1.85—在图形上指出这是个极度“红色”的天体。光球有着扩展的大气层,光谱中呈现强烈的发射线而不是吸收线,这是一颗恒星外面有着浓厚的气体包壳时出现的现象。取决于光球层径向速度的波动,这些扩展的气体曾经被观察到远离和朝向参宿四移动的运动。这颗恒星的辐射能只有13%的是经由可见光发射出来,而大部分的辐射都在红外线的波段。如果眼睛可以感觉到所有辐射的波长,参宿四可能会成为全天空最亮的恒星。

    肉眼可见

    参宿四的位置在著名的猎户腰带附近。参宿四的位置在猎户腰带附近。

    参宿四很容易在夜空中被发现,出现在猎户座的腰带附近,并且肉眼就可以看见它发出的橙红色光芒。在北半球,从每年的一月开始,可以看见它于日落时从东方升起。在3月中旬,这颗恒星在黄昏时已经在南方的天空中,而且几乎全球各地的居住者都可以看见,仅仅只有南极洲少数几个位置在南纬82°更南边的偏远研究站才看不到。在南半球的大城市 (像是雪梨、布宜诺斯艾利斯、和开普敦),参宿四的高度角几乎可以达到地平线上49°。一旦来到5月,就只能在太阳刚西沉之际在西方地平线上惊鸿一瞥。

    视差

    自从白塞尔在1838年成功的测量出视差,天文学家就对参宿四的距离极为困惑,不确定性使得许多恒星的参数值很难得到正确的估计。准确的距离和角直径将揭示恒星的半径和有效温度,导出清楚的解读热辐射的光度;光度与同位素丰度结合可以提供对恒星年龄和质量的估计。在1920年,当第一次以干涉仪研究恒星的直径时,假设视差是0.18角秒。这等同于距离是56秒差距,或是180光年,这样不仅获得的恒星半径不正确,恒星的特征也不同。在这之后,有些进行的调查将这神秘的实际距离建议为高达400秒差距,或是1,300光年。

    在依巴谷星表公布之前 (1997),有两份受人尊重的出版物有参宿四最新的视差资料。第一份是耶鲁大学天文台 (1991) 公布的视差是π = 9.8 ± 4.7 mas,相当于距离大约是102秒差距,或是330光年。第二份是依巴谷输入星表 (1993),它的三角视差是π = 5 ± 4 mas,相当于200秒差距或是650光年-几乎是耶鲁估计值的两倍。这种不确定性,使研究人员对距离估计使用宽松的范围,这种现象引燃了许多的争议-不仅仅是在恒星的距离上,还影响到其它的恒星参数。

    依巴谷任务结果在1997年发表 。解决了这一个问题,新的视差值是π = 7.63 ± 1.64 mas,这相当于131秒差距,或是430光年。因为像参宿四这种变光星,会造成具体的问体影响到它们距离的量化。

    在这次的争论中,电波天文学的最新发展似乎占了上风。格雷厄姆和同事们使用美国国家无线电天文台 (NRAO) 的甚大天线阵 (VLA),以新的高空间分辨率和多波长无线电对参宿四位置的指引,获得更精确的估计值,加上依巴谷的资料,提供了新的天文测量解答:π = 5.07 ± 1.10 mas,在严谨的误差因子下得出的距离是197 ± 45 秒差距或643 ± 146 光年。

    接下来在计算上的突破将可能来自欧洲空间局即将进行的盖亚任务,它将承担详细的分析每一颗被观测恒星的物理性质,揭示亮度、温度、重力和成分。盖亚将多次测量每一个亮度暗达20星等和比15等亮的天体位置,精确度达到24微角秒-相当于从1000公里外测量的人发直径。携带的检测设备将确保能测量像参宿四这种变星在最暗时的极限,这将解决较早时依巴谷任务位置上绝大部分的局限性。对最近的那些恒星,将能以小于0.001%的误差因子来测量他们的距离。即使是靠近银河中心的恒星,距离大约是30,000光年,距离测量上的误差也将在小于20%以内。

    光度变化

    参宿四的紫外线影像,显示出恒星的不对称脉动,扩展和收缩参宿四的紫外线影像

    参宿四的紫外线影像,显示出恒星的不对称脉动,扩展和收缩。作为胀缩变化恒星SRC的次分类,研究人员提供了不同的假设试图解释参宿四反复无常的舞蹈-这导致绝对星等在-5.27至-6.27之间的振荡现象。这颗超巨星的外层逐渐的膨胀和收缩,造成表面积 (光球) 交替的增加和减少,和温度的上升和降低-因此导致测量到这颗恒星的亮度有节奏的在最暗的1.2等,如同1927年早期见到的,和最亮的0.2等,如同1933和1942年,之间变化著。像参宿四这种红巨星,因为大气层本来就不稳定因此会通过脉动的方法。

    当恒星收缩,它吸收越来越多通过的能量,造成大气层被加热和膨胀。反过来,当恒星膨胀时,它的大气层变得稀薄,允许较多的能量逃逸出去并使温度下降,因此启动一个新的收缩阶段。在计算恒星的脉动和模型都很困难的情况下,有几个交错的周期。在20世纪的1930年代,Stebbins和Sanford的研究论文指出有一个由150至300天的短周期变化调制成的大约5.7年的规则循环变化周期。

    缩减的角度分析相当于从1993年看见的56.0 ± 0.1 到2008年的47.0 ± 0.1 mas - 在15年内几乎缩减了0.9天文单位,或大约相当于每小时1,000公里。

    中子星-内部结构模型图中子星-内部结构模型图[1]

    天文学家预计参宿四最终会以II型超新星爆发来结束它的生命,剩余一颗中子星,或是其质量只足够变成一颗白矮星。但各方对它还有多长寿命并没有一致的意见:有些人认为它的直径不停变化代表着参宿四正在融合它的碳原子,而会在数千年之内变成超新星;不同意这观点的人则认为它可以生存更久。

    白矮星-内部结构模型图白矮星-内部结构模型图[2]

    体积缩小

    光发明人查尔斯·汤斯当天在一份声明中说:新测量发现,过去15年中,参宿四的直径缩小15%,其缩小幅度平缓,但呈逐年加快趋势。

    参宿四半径为5个天文单位,也就是5倍于地球到太阳的距离。如果把它安放在太阳系的中心,它的表面几乎达到木星的轨道。这意味着,“参宿四”这15年中缩减了相当于金星到太阳的距离。

    参宿四依然巨大,用“哈勃”太空望远镜观察,它仍属于少数呈碟状、而非光点的恒星。但作为红超巨星,它已快走到生命的尽头。

    爱德华·威什诺说,他们并不清楚为什么“参宿四”体积会缩减,“对星系和遥远的宇宙,包括快走到生命尽头的红超巨星来说,人们仍有太多的未知”。

    研究人员接下来仍会继续研究“参宿四”,观察它到底是继续缩小还是转而膨胀。研究人员还指出,尽管“参宿四”体积在缩小,但它的亮度在过去15年中没有明显变暗。

    最新发现

    出现不明弓形激波 要发生超新星爆炸

    参宿四参宿四

    2013年1月,欧洲空间局的“赫歇尔”空间望远镜观测到参宿四星周围存在的多个特殊的弧形结构,科学家认为外围盾形结构将在5000年内与宇宙尘埃“强”发生碰撞。

    右图中显示了参宿四星在25弧分跨度上的图像数据,这颗红超巨星周围出现了分布不均匀的宇宙物质群,在参宿四星左边6至7弧分方向上的天体是来自其自身的物质抛射,在与星际介质相互作用后形成了弓形激波现象。

    科学家认为参宿四星很可能处于壮观的超新星爆发阶段上,来自“赫歇尔”空间望远镜的图像显示,参宿四星的恒星风撞击周围的星际介质,形成了结构明显的弓形激波,研究人员观测后确认其速度可达到每秒30公里。

    在参宿四星的运动方向上,科学家观测到一些质量损失的迹象,比如一系列的尘埃、物质混乱的情形,越是接近恒星的区域,则显示出明显的不对称结构。虽然在一些较早的理论研究中提出,参宿四星外围出现的“墙”状结构是恒星演化阶段所抛射出的物质所致,但新的空间望远镜图像数据分析表明其可能与星系磁场相关联,而处于边缘处的星际气体云也正在被参宿四星的光芒所照耀。如果“墙”状结构是一个完全独立的天体(物质),那么科学家认为参宿四星的外围弧形激波在5000年内与前者发生碰撞。[3]

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2013-08-04
    [2]^引用日期:2013-08-04
    [3]^引用日期:2013-01-24
    扩展阅读
    1挖贝 猎户星座红超巨星参宿四体积神秘缩小2009-06-11

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