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天文学家发生-参宿四到底什么时候会发生超新星爆发

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“大質量恆星演化的尺度是幾百萬年,即使確定其到了末期,當前的理論也無法精確預測到年的量級,所以超新星爆發的精確時間難以預測。我們只能說它很可能在未來十幾萬年內爆發,但無法說它會在哪一年爆發。”王善欽表示。

在王善欽看來,參宿四走過了近千萬年的歲月,而人類記載它亮度變化的歷史不過幾百年而已。也許它在此前就多次變暗,只是人類沒發現或者沒有記載,所以才覺得這次的變暗的程度特別誇張。

帶著這些問題,科技日報記者採訪了相關專家。

對於超新星爆發這一天文奇觀,人們自然充滿期待。那麼,參宿四到底什麼時候會發生超新星爆發?

紅超巨星是恆星演化到生命末期的結局之一,其大小可能會超過數百倍太陽半徑。因為其內部核反應的燃料已經逐漸耗盡,引力和輻射壓的平衡隨時會被打破,所以處於一個極不穩定的階段。

小幅度亮度變化不能說明即將爆發從2019年10月開始,參宿四一直在變暗。今年1月底,它突然開始變亮了。有人認為,這是超新星爆發的前兆,甚至猜測它已經爆發,成了一顆超新星。

最近,參宿四的一些奇怪“舉動”,引起了天文學家和天文愛好者的密切關註。人們猜測,忽明忽暗的它,是不是即將或已經爆發成了超新星?如果不是,參宿四亮度變化的原因有哪些?對超新星爆發進行早期監測有著怎樣的科學意義?

尋找超新星並不是件容易的事情。張天萌介紹,超新星的發現需要用望遠鏡對大範圍的天空進行長期重覆性的觀測,利用計算機軟件進行圖像處理,找到其中發生變化的亮點。望遠鏡每拍攝1張照片,可能會發現上千個變化的亮點,其中有宇宙線、移動天體、活動星系核、變星,甚至於望遠鏡自己的瑕疵等,所以需要進行複雜的判斷和篩選,才能找到超新星候選體。對於這些候選體,還要更進一步拍攝追蹤其光譜和光度隨時間的變化,才能最終確認它是一顆超新星,並用於科學研究。

“大質量恆星在爆發前一段時間會通過星風拋出大量物質,超新星爆發後極早期的激波穿過這些物質並與其發生相互作用,會在光譜和測光數據上留下痕跡。利用這些數據可以推斷拋出物質的成分和空間分佈,對恆星演化模型進行校正。”張天萌介紹。

超新星爆發時間難以準確預測參宿四距離地球約700光年,從天文學尺度來看,這是一個相對近的距離。假如它爆發為超新星,人類用肉眼就可以見證一次壯觀的銀河系內超新星爆發。上一次人類觀測到銀河系內超新星爆發還是在1604年,當時被觀測到的超新星被命名為“開普勒超新星”。

紅超巨星的半徑會隨著時間不斷變化。引力占上風的時候,它開始收縮,隨著輻射壓的回升,它又會膨脹。直到引力的優勢越過某個平衡點,整個恆星徹底塌縮,最終形成超新星爆發。但在最終爆發之前,半徑的變化會持續幾十萬年。

“持續變暗,也可能說明它正加速走向生命終點。當前的理論並沒有預測大質量恆星在即將死亡時會持續變暗,因此我們並不能斷言它會立即爆發為超新星。”王善欽指出。

作為一顆紅超巨星,參宿四正在走向生命終點。目前它表現出的明暗變化,是超新星爆發的前兆嗎?

爆發早期數據有助於揭示前身星性質

為了更多地掌握超新星爆發早期的數據,天文學家開展了相關工作。隨著大視場望遠鏡和探測器的增多,科學家重覆監測夜空的頻率越來越高,將有更多的超新星在爆發後1天之內被髮現。

相對於短暫變亮,參宿四目前的主要趨勢仍然是變暗。那麼,持續變暗意味著什麼?

同樣,王善欽也認為,通過超新星早期觀測數據,有助於天文學家揭示出其前身星周圍介質的物理性質,也有助於推斷其內部合成放射性元素的具體性質,比如放射性元素的質量與放射性元素在超新星噴射物內的分佈情況。

有些超新星是爆發在雙星系統中,比如Ia型超新星。目前還沒有直接觀測證據指出Ia型超新星的伴星是什麼類型的恆星。如果有超新星爆發後極早期的觀測數據,就有可能探測到爆發激波與伴星的相互作用,進而確定伴星的大小、軌道半徑等信息,為超新星前身星的爆發模型給出很好的限定。

“一方面超新星爆發時間難以準確預測;另一方面,絕大部分超新星爆發發生在銀河系之外,非常遙遠,在爆發後幾小時左右甚至幾天以上才會亮到足以被望遠鏡觀測到。因此,目前對超新星爆發早期的觀測數據確實比較少。”王善欽指出。

“參宿四距離地球很近,它一直是肉眼可見的,科學家也一直在監測它。如果它爆發為超新星,此後變亮的每一個階段都可以被看到,天文學家可以得到非常完整的觀測數據。”王善欽指出。另外,由於它很近,地球上的幾個中微子探測器可以非常容易地探測到它爆發後發出的中微子,並通過這些中微子來研究此類爆發的重要性質。此前被探測到中微子的超新星只有1987年發現的SN1987A,它與地球的距離大約是17萬光年。

對超新星爆發早期觀測最成功的望遠鏡之一是已經退役的開普勒太空望遠鏡,其主要任務是搜索系外行星。它對天空中的某些區域每隔半個小時左右重覆觀測一次,因此很幸運地捕捉到多顆超新星在爆發極早期的數據,比如2018年發現的SN2018oh,在爆發後一天內就被髮現。

事實上,在經歷短暫變亮後,參宿四不僅沒有繼續增亮,反而又暗了下去。2月2日,它的亮度降到了1.6等左右。在王善欽看來,之前的變亮只是它的常規變化行為,並不是因為它已經爆發為超新星。

“要判斷它是否真的已經爆發為超新星,必須等幾天,因為超新星爆發之後10天左右,甚至5天左右,會比爆發前亮大約幾萬倍以上。”天體物理學博士王善欽表示。

“半徑的變化會使參宿四的亮度發生明暗交替變化,歷史上人類監測到它至少發生過1個星等的變化,所以目前出現的小幅度亮度變化並不能直接說明它即將爆發。”中國科學院國家天文臺副研究員張天萌分析道。

有科學家估算過,現在人類可觀測到的宇宙中,平均每1秒鐘就有1顆超新星爆發。但因為它們都處於遙遠的星系中,肉眼很難看到。天文學家並不能預知某個位置會有超新星爆發,因為它在爆發前根本無法觀測到。

雖然開普勒望遠鏡觀測到多顆超新星,也幾乎是完全覆蓋了爆發早期,但參宿四比它們都要近得多,因此天文學家對它尤為關註。

冬季是觀賞獵戶座的好時節。細心的你,在冬季仰望星空時,肯定會註意到獵戶座左肩位置那顆紅色的星星。它就是大名鼎鼎的參宿四,冬季夜空里最亮的恆星之一。

超新星爆發是恆星演化的最後一步,其極早期的數據可以為天文學家瞭解恆星在生命終點是如何演化提供線索。

作為一顆紅超巨星,參宿四正在走向生命終點。目前它表現出的明暗變化,是超新星爆發的前兆嗎?