一颗巨星垂死的呼吸

参宿四最近一直是媒体关注的焦点。这颗红色的超级巨星正接近其生命的尽头，当一颗质量超过太阳10倍的恒星死亡时，它会以壮观的方式消失。由于它的亮度最近降到了过去一百年来的最低点，许多太空爱好者都很兴奋，因为参宿四可能很快就会变成超新星，在白天也能看到耀眼的爆炸景象。

虽然猎户座肩膀上的这颗著名的恒星很可能在接下来的一百万年内——实际上是宇宙时间的几天——就会消亡，但科学家认为它的暗淡是由于恒星的脉动造成的。这种现象在红巨星中比较常见，而参宿四几十年来一直被认为是红巨星中的一员。

巧合的是，加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员已经对这颗超新星的亮度做出了预测，这将导致像参宿四这样的脉动恒星爆炸。

 

物理学研究生贾里德·戈德堡(Jared Goldberg)与该校卡维里理论物理研究所(Kavli Institute for Theoretical Physics, KITP)所长、Gluck物理学教授拉尔斯·比尔斯滕(Lars Bildsten)，以及KITP高级研究员比尔·帕克斯顿(Bill Paxton)发表了一项研究，详细描述了恒星的脉动如何影响随后的爆炸，当爆炸到达终点时。这篇论文发表在《天体物理学杂志》上。

国家科学基金会的研究生研究员戈德堡说:“我们想知道，如果一颗跳动的恒星在不同的脉动阶段爆炸，会是什么样子。”“早期的模型比较简单，因为它们不包括脉冲的时间依赖效应。”

当像参宿四这样大的恒星最终耗尽了在其中心融合的物质时，它就失去了在自身巨大的重量下防止其崩溃的外部压力。由此产生的核心坍缩发生在半秒内，远远快于恒星表面和膨胀的外层所注意到的速度。

当铁核坍缩时，原子分裂成电子和质子。它们结合在一起形成中子，并在这个过程中释放出被称为中微子的高能粒子。正常情况下，中微子几乎不与其他物质相互作用——每秒有100万亿个中微子穿过你的身体，没有一次碰撞。也就是说，超新星是宇宙中最强大的现象之一。在核心坍缩过程中产生的中微子的数量和能量是如此巨大，即使只有一小部分与恒星物质发生碰撞，通常也足以发射出足以引爆恒星的冲击波。

由此产生的爆炸以惊人的能量撞击到恒星的外层，产生的爆炸可以短暂地照亮整个星系。爆炸持续约100天，因为辐射只有在电离氢与失去的电子重新结合并再次变为中性后才能逃逸。这是由外而内的过程，也就是说，随着时间的推移，天文学家可以看到超新星内部更深处的情况，直到中心发出的光线最终能够逃逸出去。到那个时候，剩下的就只有放射性沉降物发出的微弱光芒了，它可以持续发光很多年。

超新星的特征随着恒星的质量、总爆炸能量以及重要的是它的半径而变化。这意味着参宿四的脉动使得预测它如何爆炸变得更加复杂。

研究人员发现，如果整个恒星都在同步地脉动——如果你愿意的话，可以把它呼进呼出——超新星的表现就会像参宿四是一颗半径给定的静态恒星。然而，恒星的不同层可以相互振荡:外层膨胀而中间层收缩，反之亦然。

对于简单的脉动情况，该团队的模型得到了与没有考虑脉动的模型相似的结果。哥德堡解释说:“它看起来就像一颗超新星，从一个更大的恒星或一个更小的恒星在不同的脉动点。”他说:“当你开始考虑更复杂的脉动时，也就是物质同时进入和流出的时候，我们的模型就会产生明显的差异。”

在这些情况下，研究人员发现，随着光线从爆炸的更深层逐渐泄漏出来，这些辐射看起来就像是来自不同大小恒星的超新星的结果。

“来自恒星被压缩部分的光比较微弱，”戈德堡解释说，“就像我们预期的来自更致密、无脉动恒星的光一样。“与此同时，来自当时正在膨胀的恒星部分的光会显得更亮，就好像来自一个更大的、没有脉动的恒星。

哥德堡计划与物理学教授安迪·豪厄尔(Andy Howell)和KITP博士后研究员埃文·鲍尔(Evan Bauer)一起，向美国天文学会的《研究笔记》(Research Notes of the American Astronomical Society)提交一份报告，总结他们专门在参宿四进行的模拟实验的结果。Goldberg还与KITP博士后Benny Tsang合作，比较不同的超新星辐射传输技术，并与物理学研究生平松大一(Daichi Hiramatsu)合作，比较理论爆炸模型与超新星观测。