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参宿四

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参宿四,猎户座α星

在左边的粉红色箭头指示出参宿四在猎户座的位置。
观测资料
历元 J2000.0
星座 猎户座
星官 参宿
赤经 05h 55m 10.3053s[1]
赤纬 +07° 24′ 25.426″[1]
视星等(V) 0.42[1](0.3 to 1.2)
特性
光谱分类M2Iab(红超巨星)[1]
U−B 色指数2.06[2]
B−V 色指数1.85(橙红)[2]
变星类型SR c (半规则)[1]
天体测定
径向速度 (Rv)+21.91[1] km/s
自行 (μ) 赤经:24.95 ± 0.08[3] mas/yr
赤纬:9.56 ± 0.15[3] mas/yr
视差 (π)5.07 ± 1.10[3] mas
距离643 ± 146 [3] ly
(197 ± 45 [3] pc)
绝对星等 (MV)−6.05[4]
详细资料
质量~18–19[5] M
半径~1180[6] R
表面重力 (log g)-0.5[7]
亮度~140,000[8] L
温度3,500[7][9] K
金属量0.05 Fe/H[10]
自转5 km/s[9]
年龄~1.0×107 [5]
其他命名
参宿四,α Ori58 OriHR 2061, BD +7° 1055, HD 39801, FK5 224, HIP 27989, SAO 113271, GC 7451, CCDM J05552+0724AP, AAVSO 0549+07
参考资料库
SIMBADdata

shēn宿xiù(英语:Betelgeuse),拜耳命名法中著名的猎户座αα Orionisα Ori),是全天第九亮星,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。它是明显的红色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。这颗恒星标示著冬季大三角顶点冬季六边形的中心。

在分类上,参宿四是一颗红超巨星,并且是已知第二大和最亮的恒星之一。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,完全地席卷掉水星金星地球火星。但是,在上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、光度和质量的估计是很难被证实的。目前认为参宿四的距离大约是640光年,平均的绝对星等是-6.05。

而事实上,有关参宿四的质量始终有争议,有的资料显示它的质量不过太阳的14至15倍,但也有的资料认为它的质量达到太阳的18至19倍甚至20倍的,而这种质量的不确定性,正是由于测量距离的不确定性造成的。

在1920年,参宿四是第一颗被测出角直径的恒星(除太阳之外)。从此以后,研究人员不断使用不同的技术参数和望远镜测量这颗巨星的大小,而且经常产生前后矛盾的结果。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。由于周边昏暗、光度变化(变星脉动理论)、和角直径随著波长改变,这颗恒星仍然充满了令人费解的谜。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著,可能加剧了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得很快。它被认为是来自猎户座OB1星协奔逃星,还包含在猎户腰带参宿一参宿二、和参宿三0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,并变成一颗中子星,2019年底因其自身产生的尘埃云导致其亮度开始持续变暗,至2020年2月下旬左右开始回升。[11]

观测历史

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。”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Zij-i Sultani被翻译为rubedinis,意思如同拉丁文红色(ruddiness)[12][13]。在科学革命之前,天文学史神话占星学有著密切的关系,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有著密切的关系[12]。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。

赫歇耳的发现

在约翰·赫歇耳爵士过世的前几年,朱丽亚·烈卡梅隆为他绘制的肖像。
约翰·赫歇耳爵士过世的前几年,朱丽亚·烈卡梅隆为他绘制的肖像。

约翰·赫歇耳爵士在1836年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1836-1840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[14][15]。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《测天图》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[16]

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[17]。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画和在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·史瓦西普林斯敦大学的Richard Härm[18][19]。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,当同温层望远镜计画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太阳黑子的细致影像,从而证实太阳大气中存在著对流[18]。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,有著意味深长的冲击。

孔径遮罩

哈伯太空望远镜使用紫外线拍摄,并经过NASA影像增强处理的参宿四[20]
哈伯太空望远镜使用紫外线拍摄,并经过NASA影像增强处理的参宿四[20]

在上个世纪的70年代,来自柏克莱在太空科学实验室工作的安托尼伊美英语Antoine Émile Henry 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,才在可见光和红外摄影上有了重大的突破。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[21][22][23]。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[24][25]

在1995年,哈伯太空望远镜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伯同样精确度的影像。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[26],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°[27]

近代的研究

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。
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
透过ALMA于2017年6月拍摄到的参宿四,这是迄今解析度最高的太阳系外恒星照片,也是ALMA首度清楚观测到恒星表面
透过ALMA于2017年6月拍摄到的参宿四,这是迄今解析度最高的太阳系外恒星照片,也是ALMA首度清楚观测到恒星表面

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[17][28]。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。不过,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。不过,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%。他提出的证据来自加州大学柏克莱分校位于威尔逊山天文台山顶的ISI已经持续15年观测到恒星的收缩。尽管参宿四的大小明显的减少,汤和他的同事Edward Wishnow指出,在美国变星观测者协会长期定期监测下,参宿四可见的光度,或星等在这段期间并没有明显的变暗[29][30]。半径减少与相对恒定通量耦合的这一发现,成为解决恒星结构理论一些根本问题的关键。

对包层完整的审议已经大量研究参宿四扩张大气层深奥的动力学。几十年来天文学家已经了解红巨星创造的不透明外壳主导了质量重返银河,但是这种恒星质量流失的实际机制仍然是一个谜[31]。干涉测量方法上的最新进展,天文学家可能已经接近此一难题的解答。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[9][32]。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[29]

可见性

参宿四的位置在著名的猎户腰带附近。
参宿四的位置在著名的猎户腰带附近。

参宿四是很容易在夜空中发现的,它就出现在著名的猎户腰带附近,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见。在南半球的大城市(像是悉尼布宜诺斯艾利斯、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了。

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。参宿七也是一样,它通常的视星等是0.12,但报告指出光度有0.03至0.3星等的波动[33],这也可能使参宿四偶尔会比参宿七明亮而成为全天第七亮星。当它最暗时,会比第19亮的天津四还要暗,并与十字架三竞争第20名的位置。

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著的烟羽伴随著扩展的大气层[34]。
来自ESO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著的烟羽伴随著扩展的大气层[34]

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。光球有著扩展的大气层,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著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[15]

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质量的估计[3]。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[3]

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[35]。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[36]。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[3]

图片显示的是美国国家无线电天文台座落在新墨西哥州索科洛的甚大天线阵(Very Large Array,VLA)。27只天线每只的重量是209公吨(230吨),需要时可以在阵列中的轨道上移动,以使用孔径合成干涉仪进行详细的研究。
图片显示的是美国国家无线电天文台座落在新墨西哥州索科洛甚大天线阵(Very Large Array,VLA)。27只天线每只的重量是209公吨(230吨),需要时可以在阵列中的轨道上移动,以使用孔径合成干涉仪进行详细的研究。

期待已久的依巴谷任务结果终于在1997年发表(释出)。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[37]。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[38]。因此,the large cosmic error in the Hipparcos solution could well be of stellar origin, relating possibly to movements of the photocenter, of order 3.4 mas, in the Hipparcos photometric Hp band.[3][39]

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),以新的高空间解析度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[3]

接下来在计算上的突破将可能来自欧洲太空总署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。事实上,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[40]

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,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[41]。以我们目前了解的恒星结构认为是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[14]。在计算恒星的脉动和模型都很困难的情况下,看来有几个交错的周期。在上个世纪的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[42][43]

事实上,超巨星始终显示不规则的光度极化光谱的变化,这指出在恒星的表面和扩展的大气层有著复杂的活动[21]。对照于受到监测的大多数巨星都是有著合理的规则周期的长周期变星,红巨星通常都是半规则不规则的,有著脉动特性的变星。在1975年,Martin Schwarzschild发表了一篇具有里程碑意义的论文,认为光度起伏不定的变化是因为一些巨大的对流细胞(米粒斑的模式)覆盖在恒星表面所导致的[25][44]。在太阳,这些对流细胞,或是称为太阳米粒,代表热传导的一种重要模式-因为那些对流元素主宰著太阳光球的亮度变化[25]。太阳的米粒组织典型的直径大约是2,000公里的大小(大约相当于印度的表面积),深度大约700公里。在太阳表面大约有200万个这样的米粒斑覆盖著6兆公里2光球面积,如此巨大的数量产生相对恒定的通量。在这些米粒斑之下,连结著5000至10,000个平均直径30,000公里,深度达到10,000公里的超米粒斑[45]。对照之下,Schwardschild认为像参宿四这样的恒星可能只有一打左右像怪兽的米粒斑,直径达到1亿8千万公里或更大而足以支配恒星的表面,与深度6千万公里,这是因为红巨星的包层温度和密度都很低,导致对流的效率极低。因此,如果在任何时间都只能看见三分之一的对流细胞,它们所观测到的光度随著时间的变化就可能反映出恒星整体的光度变化[25]

Schwarzschild的巨大对流细胞主宰巨星和红巨星表面的假说似乎有张贴在天文讨论社区,当哈伯太空望远镜在1995年首度直接捕捉到参宿四表面神秘的热点时,天文学家就将它归因为对流[46]。两年后,天文学家揭露至少有三个亮点造成观测到这颗恒星错综复杂的亮度分布不对称,其幅度"符合表面的对流热点"[22]。然后在2000年,另一组由哈佛-史密松天体物理中心(Cfa)的Alex Lobel领导的小组,注意到参宿四湍流的大气层中冷与热的气流展示出肆虐的风暴。小组推测在恒星大气层中大片活力充沛的气体同时向不同的方向膨胀,抛射出长长的温热气体羽流进入寒冷的尘埃包层。另一种解释是温热的气体在横越恒星较冷的区域时造成激波的出现[43][47]。这个团队研究参宿四大气层的时间超过5年,使用的是哈伯的太空望远镜影像摄谱仪在1998年至2003年的资料。他们发现在色球层上活动的气泡,在恒星的一边抛起气体,当落在另一边时,好像慢动作翻腾的熔岩灯

角直径

天文学家面对的第三个挑战是测量恒星的角直径。在1920年12月13日,参宿四成为第一颗在太阳系之外曾经被测量出直径的天体[17]。虽然干涉仪仍处在发展的初期,经由实验已经成功的证明参宿四有一个0.047"的均匀盘面。天文学家对周边昏暗的见解视值得注意的,除了10%的测量误差,小组得出的结论是由于沿著恒星边缘部分的光度强烈的减弱,盘面可能还要大17%,因此角直径大约是0.055"[17][30]。从那时以来,已有其他的研究在进行,得到的范围从0.042至0.069角[28][48][49]。结合历史上估计的距离,从180至815光年,与这些资料,得到恒星盘面的直径无论何处都在2.4至17.8天文单位,因此相对来说半径是1.2至8.9天文单位[note 1]使用如同太阳系标准火星的轨道大约是1.5AU,在小行星带谷神星是2.7AU,木星是5.5AU。因此,取决于参宿四与地球的实际距离,光球层可以扩展至超出木星轨道的距离,但不能确定是否会远达土星的9.5AU。

电波的影像显示出参宿四光球层的大小(圆圈)和使恒星不对称的大气层扩展至土星轨道之外的对流力效应。
电波的影像显示出参宿四光球层的大小(圆圈)和使恒星不对称的大气层扩展至土星轨道之外的对流力效应。

有几个原因使精确的直径很难定义:

  1. 光球收缩和膨胀的节奏,如理论所描述的,意味著直径不是永远不变;
  2. 由于周边昏暗造成从中心向外延伸的越远光的颜色改变和辐射衰减越多,而没有明确定义的"边界";
  3. 参宿四被从恒星逐出的物质组成的星周包层环绕著-这些物质吸收和辐射光线-造成光球层的边界很难定义[29]
  4. 电磁频谱内以不同的波长测量,每个波长透露一些不同的东西。研究显示可见光的波长有较大的角直径,在近红外线减至最小,不料在中红外线再次增加[50][51]。报告的直径差异可已多达30-35%,但因为不同的波长测量不同的东西,将一种结论与另一种比较是有问题的[29]
  5. 大气层的闪烁使得地面上的望远镜因为大气湍流的影响降低了解像力的极限角度值[21]

为了克服这些限制,研究人员采用了各种方案解决。天文干涉仪的观念是Hippolyte Fizeau在1868年最早提出的[52]。他提出经由两个孔洞观察恒星的干涉,将可以提供恒星空间强度分布的资讯。从此以后,科学的干涉仪已经发展出多孔径干涉仪,可以将多个位置的影像彼此重叠。这些"斑点"的影像使用傅立叶分析综合-一种广泛用于审视天体的方法,包括研究联星类星体小行星星系核[53]。自1990年出现的自适应光学彻底改变了高解析度天文学[54],同时,像是依巴谷哈伯、和史匹哲太空天文台,也产生其他重大的突破[20][55]。最近,另一项仪器,天文多波束接触器(the Astronomical Multi-BEam Recombiner,AMBER),提供了新的观点。做为甚大望远镜的一部分,AMBER有能力同时结合3架望远镜,使研究人员可以实现微角秒的空间解析。此外,通过组合三个干涉仪#天文干涉仪取代两个,这是习惯用的传统干涉测量,AMBER能让天文学家计算闭合相位-天文成像中的一个重要组成部分[56][57]

从ESO的想像图可以看出,参宿四大气掀起的气泡延伸范围相当于从太阳一直到海王星外,约是光在真空中行进4.85至5.5小时的距离
ESO的想像图可以看出,参宿四大气掀起的气泡延伸范围相当于从太阳一直到海王星外,约是光在真空中行进4.85至5.5小时的距离

目前的讨论围绕著波长-可见光、近红外线(NIR)或中红外线(MIR)-获得最精确的角度测量[note 1]。最被广泛接受的解决方案,他的出现,是由加州大学柏克莱分校太空实验室的天文学家在中红外线波段执行的ISI。在历元2000年,这个团体,在约翰韦纳的领导下发表了一份论文,以一般不太被注意的中红外线,忽略任何可能存在的热点,显示参宿四均匀的盘面直径是54.7 ± 0.3 mas[28]。这篇论文也包含理论上承认的周边昏暗直径是55.2 ± 0.5 mas-假设与地球的距离是197.0 ± 45 秒差距,这相当于半径大约5.5天文单位的外观(1,180R[note 2]。不过,有鉴于角直径的误差在± 0.5 mas,与哈珀(Harper)的数值有± 45秒差距的误差结合在一起,光球的半径实际上可以小至4.2AU,或是大至6.9AU [58]

跨过大西洋,另一组由巴黎天文台佩兰(Guy Perrin)领导的天文学家在2004年以红外线对有争议的参宿四光球半径做出43.33± 0.04 mas的精确测量[50] "佩兰的报告给了一个合理的剧本,可以一致性的解释从可见光到中红外线的观测。"这颗恒星看似很厚、温暖的大气层使短波的光线散射因而略微增加了直径,波长在1.3μm以上的散射可以忽略不计。在K和L,上层的大气层几乎是透明的-在这些波长上看见的是传统的光球,所以直径是最小的。在中红外线,热辐射温暖了大气层增加了恒星的视直径。"这些参数还未获得天文学家广泛的支持[29]

最近使用IOTAVLTI在近红外线上的研究,强烈的支持佩兰的分析,直径的范围在42.57至44.28 mas,最小的误差因子小于0.04mas[59][60]。这次讨论的中心,是由查理斯汤所领导柏克莱团队在2009年的第二份论文,报告参宿四的直径从1993年至2009年缩减了15%,在2008年测量的角直径是47.0mas,与佩兰的估计相距不远[30][61]。不同于以前发表的大部份论文,这份研究专注于一个特定的波长15年的视野,早期的研究通常只持续1至2年,并且是在多种波长上,经常会产生截然不同的结果。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[note 3]。天文学家都认为我们完全不知道这颗恒星膨胀和收缩的节奏,果真如此,循环的周期可能是甚么,虽然汤认为不存在这样的周期,但它也可能长达数十年[30],其它可能的解释是光球层由于对流或因为不是球体因而稍微有些不对称,造成恒星绕著轴旋转时外观上的膨胀和收缩[62]。当然,除非我们收集了周期的完整资料,我们不会知道1993年的56.0mas是表现出恒星膨胀的最大值还是平均值,或是2008年的47.0事实上是个极小值。在我们得知确切的数值之前,我们可能还要继续观测15年或更久的时间(2025年),也就是说,相当于木星轨道半径的5.5天文单位,可能将持续很长的一段时间继续被视为它的平均半径[63][64]

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著参宿四正在融合它的原子,而会在数千年之内变成超新星[34];不同意这观点的人则认为它可以生存更久。

注解

  1. ^ 1.0 1.1 。下表提供了自1920年以来,钜细靡遗的角直径测离资料,也包含每项研究基于目前对参宿四的距离估计,197±45 秒差距(Harper et al),所得到的半径范围:
    Article 1 望远镜 # 光谱 λ(μm mas2 半径3 @
    197±45 秒差距
    注解
    Michelson 1920 威尔逊山 1 可见光 0.575 47.0 ± 4.7 3.2 - 6.3 AU 周边昏暗 +17% = 55.0
    Bonneau 1972 帕洛玛 8 可见光 0.422-0.719 52.0 - 69.0 3.6 - 9.2 AU 强烈的与与λ相关
    Balega 1978 ESO 3 可见光 0.405-0.715 45.0 - 67.0 3.1 - 8.6 AU 与波长λ无关
    1979 SAO 4 可见光 0.575-0.773 50.0 - 62.0 3.5 - 8.0 AU
    Buscher 1989 WHT 4 可见光 0.633-0.710 54.0 - 61.0 4.0 - 7.9 AU 发现非对称性/热点
    Wilson 1991 WHT 4 可见光 0.546-0.710 49.0 - 57.0 3.5 - 7.1 AU 确认热点
    Tuthill 1993 WHT 8 可见光 0.633-0.710 43.5 - 54.2 3.2 - 7.0 AU 研究3颗恒星的热点
    1992 WHT 1 NIR 0.902 42.6 ± 0:03 3.0 - 5.6 AU
    Weiner 1999 ISI 2 MIRN波段 11.150 54.7 ± 0.3 4.1 - 6.7 AU 周边昏暗 = 55.2 ± 0.5
    Perrin 1997 IOTA 7 NIRK波段 2.200 43.33 ± 0.04 3.3 - 5.2 AU K&L Band,11.5μm data contrast
    Haubois 2005 IOTA 6 NIRH波段 1.650 44.28 ± 0.15 3.4 - 5.4 AU Rosseland diameter 45.03 ± 0.12
    Hernandez 2006 VLTI 2 NIRK波段 2.099-2.198 42:57 ± 0:02 3.2 - 5.2 AU 高精度AMBER的结果
    Ohnaka 2008 VLTI 3 NIRK波段 2.280-2.310 43.19 ± 0.03 3.3 - 5.2 AU 周边昏暗43.56 ± 0.06
    Townes 1993 ISI 17 MIRN波段 11.150 56.00 ± 1.00 4.2 - 6.8 AU 涉及从1993年至2009年17次同一波长,有系统的研究。
    2008 ISI MIRN波段 11.150 47.00 ± 2.00 3.6 - 5.7 AU
    2009 ISI MIRN波段 11.150 48.00 ± 1.00 3.6 - 5.8 AU
    Harper 2008 VLA Also noteworthy, Harper et al in the conclusion of their paper make the following remark: "In a sense, the derived distance of 200 pc is a balance between the 131 pc(425 ly)Hipparcos distance and the radio which tends towards 250 pc(815 ly)"—hence establishing ± 815 ly as the outside distance for the star.

    1除非另有说明,是他最后一年的观测。 2除非另有说明,是均匀的盘面测量。 3半径的计算使用相同的方法,如同说明#2下的。周边昏暗测量。

  2. ^ 要以太阳的单位测量参宿四的平均半径,开始计算角直径的公式如下:
    此处等于以角秒为单位的参宿四直径,恒星的天文单位直径,和是以秒差距为单位与地球的距离。如果我们知道角质径和与地球的距离,则我们可以解出如下所示:
    .
    获得参宿四的半径:
    不过,鉴于:
    1. 在这个公式中有两个变数可能会造成重大误差因子,角直径()和距离(),
    2. 参宿四半径的误差因子范围在4.2至6.9天文单位,和
    3. 假设恒星的半径不断的膨胀和收缩,
    天文学界已经选择 5.5 AU(木星的轨道)作为一个概念上极好的解答。
    将5.5 AU转换成以太阳为单位,在数学上是很简单的。因为1 AU = 149,597,871公里,而太阳的平均直径是1,392,000公里(因此平均半径是696,000公里),计算如下所示:
    (约值)
  3. ^ 参宿四的半径在1993年的报告中是56.0 mas,假设距离是197秒差距,这相当于5.516 AU(1,185 );在2008年的报告是47.0 mas,这相当于4.630 AU(995 ),缩减了0.887 AU,略微超越了金星的轨道,几乎要抵达地球的轨道 计算收缩的平均速度,唯一缺少的变数是时间。在1993年的测量是在10月30日,2008年的测量是在10月29日-因此经过的日数是5,478天,所以:
    0.887 AU×149,597,871 km ÷ 5,478 days ÷ 24 hours ≈ 1,008 km/h.
    此外,应该要注意到任何速度的计算都高度的依赖参宿四距离的估计(视差),如果使用依巴谷测量的叁宿四距离(131秒差距或425光年)代替哈珀的估计,这个速度将下降为671公里/小时。

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参见

外部链接

  1. Orion: Head to Toe The molecular clouds which gave birth to Betelgeuse.
  2. Mars and Orion Over Monument Valley Stunning skyscape showing the relative brightness of Betelgeuse and Rigel.
  3. Frosted Leaf Orion Orion, the hunter, in its mythological pursuit of the Pleiades over Japan.
  4. The Spotty Surface of Betelgeuse A reconstructed image showing two hotspots, possibly convection cells.
  5. Simulated Supergiant Star Freytag's "Star in a Box" illustrating the nature of Betelgeuse's "monster granules".
  6. Why Stars Twinkle Image of Betelgeuse showing the effect of atmospheric twinkling in a microscope.
  7. Canaries Sky The glowing nebulas surrounding Betelgeuse.
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参宿四
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