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参宿四已爆炸为超新星了吗?它会摧毁地球吗?

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发表于 2020-2-3 11:23:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
  撰文:王善钦
  到时候,你大概会看到两个月亮,但我们的后代再也无法看到漂亮的“冬季大三角”。
  近来,闻名的星星“参宿四”连续变暗,引起了许多天文学家与天文学爱好者的注意。许多人认为这意味着参宿四即将甚至已经发作为超新星。有些人认为这颗超新星有大概威胁甚至摧毁地球生态圈。在这篇文章中,我们就看看这些传言是否可靠。
  参宿四的根本情况
  参宿四,英文名为“Betelgeuse”,拜耳命名法中它的称号是猎户座α——这一样平常是某个星座中最亮的星的编号。但现实上,参宿四是一颗变星,它大部分时间内比参宿七暗,只是因为在某些时候的"视星等"达到 0.05 等左右,比参宿七亮,才被命名为猎户座α。视星等在 0.05 到 0.18 等之间变革的参宿七因此屈居第二,被命名为猎户座β。
  ("星等"是用来形貌星星亮度的量。根据定义,星等越低,亮度越大。比如,1 等星比 2 等星亮,前者的亮度是后者的 2.512 倍。以此类推,1 等星亮度是比 6 等星亮度的 100 倍,是 11 等星的 1 万倍。"视星等"对应的是"看上去的亮度"——视亮度。)

图:猎户座与参宿四(图中红色圆圈所圈)

  一样平常情况下,参宿四是全天第 11 亮星,平均视星等为 0.5 等。它的视星等在不绝变革,最亮时可以达到 0 等,成为全天第 5 亮星;最暗时,它会降低到 1.3 等甚至更暗,排到全天第 20 亮之外。
  参宿四的质量约莫是太阳的 18 到 19 倍,半径约莫是太阳的 1000 倍。如果放在太阳的位置,它会吞没水星、金星、地球、火星、小行星带,并大概把木星也吞了。
  参宿四距离地球约莫 700 光年,但因为其巨大的直径,它成为除太阳之外第一颗被测出圆盘面的恒星,也是除了太阳之外,看上去第二大的恒星。

图:Atacama 大毫米/亚毫米阵(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)拍摄到的参宿四的毫米/亚毫米波段的图像,这是 ALMA 首次拍摄到一颗恒星的外貌。(来源:Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)

  参宿四已经发作为超新星?还是让子弹先飞一会儿吧

  从 2019 年 10 月开始,参宿四一直在变暗。昨天(2020 年 2 月 2 日)最新公布的情况是:它已经降到了 1.6 等左右。此前几天,它曾经短暂变亮,以至于许多人又激动地以为它已经爆炸为超新星,忙不迭地写文章,甚至宣称天下末日要来了。
  但是,要判定它是否真的已经发作为超新星,必须等几天,因为超新星发作之后十天左右(甚至五天左右)会比发作前亮约莫几万倍以上。
  以参宿四为例,它V波段的平均绝对星等约莫是-5.85 等(假定将星星放到距离地球 32.62 光年,观测到的视星等就是绝对星等),而超新星的绝对星等约莫是-18 等左右,比参宿四亮了约莫 12 等。根据星等的定义,每降低 5 等,亮度变为原来的 100 倍;降低 10 等,亮度变为原来的 1 万倍;降低 12 等,亮度提升 6 万多倍。换句话说,如果参宿四真的已经发作为超新星,只需要十天(甚至五天)左右,它就可以变亮 6 万倍左右。
  结果,已往几天,它不但没有继续增亮,反而又继续暗了下去。所以,前几天的变亮只是它的通例变革行为,并不是因为它已经爆炸为超新星。
  由于参宿四距离我们约莫 700 光年,这么短的距离内,宇宙膨胀效应可以忽略不计,所以它发出的光要跑约莫 700 年才到我们这里。换句话说,我们每次看到的都是它此前约莫 700 年前发出的光。为了讨论的方便,我们扣除这 700 年的时间差。比如,我们说的几天前的它的亮度,其实是它在 700 年加几天之前的亮度,但我们还是直接说几天前。
  超新星爆炸前会连续变暗吗?

  既然参宿四前几天的突然变亮只是短暂行为,变暗仍然是它当前的重要趋势,那么我们就可以重新回到这个问题:它连续变暗,是因为它即将爆炸为超新星吗?
  答案会令许多人失望:恒星演化理论与超新星发作理论都没有猜测恒星爆炸为超新星之前会先连续变暗。
  其实,导致恒星变暗的原因有许多:恒星自身收缩、恒星温度降低、恒星外貌热区域与冷区域的位置变革、恒星喷发出大量尘土,以及上述多种原因的组合。
  以恒星喷发大量尘土为例,当恒星喷发出大量尘土后,尘土会吸收一部分可见光,尘土被这些光加热后,散发出红外线,这就使得恒星的可见光亮度降低。
  参宿四是一颗红超巨星,而且质量超过了 18 个太阳质量,它在核心可以用来聚变的氢都聚变为氦之后,会依次举行更高难度的聚变反应,比如把氦变为碳,直到把硅聚变为铁——这个过程并不是简单地将两个硅聚变为铁,而是通过一系列复杂反应完成的。
  硅聚变完成后,超新星就立刻在此后几秒内发作。严酷说,这类恒星就是在铁核心积累到足够大时就突然向内塌缩,硅聚变同时停止,然后超新星立刻发作。
  对于参宿四这样的恒星,氢聚变为氦的时间可以连续几百万年,但硅聚变为铁的过程非常短——以小时来计算。所以你指望小时量级的硅聚变阶段可以导致恒星连续几十天以上变暗,显然是不大概的,因为连时间的尺度都对不上。
  但如果变暗的原因是恒星外貌的剧烈变革或者恒星喷发出强烈富含尘土的星风,那就确实意味着这颗星正在快速走向生命终点:许多恒星在快要殒命时,会喷发出特别强烈的星风,裹挟着大量尘土。
  但对于一颗恒星,这样的剧烈喷发可以发生许多次。有时候,恒星喷发物质之后几年,恒星就爆炸为超新星;有时候,恒星喷发物质之后几十年,恒星才爆炸为超新星。此外,有时候恒星喷发出的物质还会碰撞之前喷发出的物质,将机械能转化为内能,发出强光,反而变亮了——这就是“假超新星”。
  对于参宿四,我们根本不知道它的变暗是不是因为强烈的物质喷发导致的。即使假定是物质喷发导致,也无法确定它会在几年还是几十年甚至几百年后才会发作为超新星。
  如果参宿四发作为超新星,它会有多亮
  上面说过,如果参宿四发作为超新星,它会变亮约莫 12 等。参宿四的视星等(记住,此处讨论视星等,不是绝对星等)最亮时为 0 等,将 0 减去 12,得到的是-12 等。假如它发作为超新星后还可以更亮 1 等,那它的视星等就是-13 等。
  满月的视星等约莫是-12.4 等,太阳的视星等是-26.7 等。对比之后就会发现,参宿四发作后最亮时会与满月差不多亮,夜晚照出人影是没问题的。但即使是最亮时,它看上去也显然要比太阳暗得多。出现两个太阳的情况是不大概的。
  如果参宿四发作为超新星,它会毁灭地球吗?
  如果有人问你这个问题,你可以反过来问他:那月光会毁灭地球吗?参宿四发作为超新星之后,最亮时看起来也才月亮那么亮,意味着它发出的光落在地球上的流量与月光照射地球时的流量一样。
  从另一个方面说,参宿四与地球的距离约莫为 700 光年,而早已有严肃的研究表明,只有距离地球 10 光年以内的超新星发作才有大概破坏地球大气,进而破坏生态圈。
  有些人还认为:参宿四发作后产生的伽玛射线暴如果方向恰好对准地球,就有大概摧毁地球生物圈。
  但参宿四是一颗红超巨星,有很厚的氢包层。如果伽玛射线暴由喷流产生,那么,即使参宿四爆炸后内部产生喷流,喷流也会被氢包层吞没,而不大概产生伽玛射线暴。如果伽玛射线暴来自激波突破,参宿四也不大概产生伽玛射线暴:红超巨星的激波突破辐射不大概是伽玛射线,只能是紫外线与可见光,它们无法伤害地球大气。

图:别以为超新星发作都会这么近。

  结论
  参宿四的连续变暗,并不意味着它会立刻成为超新星。它变暗的具体原因未知。即使它成为超新星,它看上去最多也只是达到满月亮度,因此无法破坏地球大气与生态圈。
  无论如何,参宿四已经处于生命末期,不外瘦死的骆驼比马大,人家就是末期的连续时间也比人类寿命长,大概也就几十万年吧。当然,如果它已经处于末期的末期,那我们有生之年还是有希望看到它爆炸的。
  假如参宿四爆炸为超新星,我们将见证一次壮观的银河系内的超新星发作,上一次被人类观测到的银河系内超新星发作是于 1604 年被观测到的“开普勒超新星”,那时"大清"不但还没灭,它还没建立呢。
  如果参宿四爆炸为超新星,我们的后代就看不到漂亮的、几乎等边的"冬季大三角"了。这么想来,还是有些遗憾的。

哈勃太空望远镜拍摄的“冬季大三角”,左上为南河三,右上橙色星星为参宿四,下为天狼星。(来源:NASA/ESA,HST)

  作者简介
  王善钦,2018 年获得南京大学天文学博士学位,2016-2018 年访问加州大学伯克利分校,重要研究超新星发作等现象,业余也研究科学史。

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