夜空中的獵戶座和參宿四

2月份天黑以后，冬季星座之王獵戶座赫然出現于南方天空。獵戶座左肩膀紅色的參宿四格外的醒目。參宿四是我們在地球上所能看到的除太陽以外最大的恒星，也是夜空中僅有的兩顆紅超巨星之一。它是科學家最為關注的恒星，最近也頻頻登上科學頭條：2019年它的亮度突然變暗60%，有人猜測它即將爆炸。參宿四究竟是一顆怎樣的恒星呢？如果它發生了爆炸，我們在地球上會看到怎樣的奇觀？它會威脅人類嗎？讓我們揭開這顆紅色巨星的秘密。

宇宙中的巨無霸

參宿四的大小

參宿四是肉眼可見的最大最亮的恒星之一。它是一顆半規則變星，視星等在0.0~1.3之間變化。參宿四距離地球大約550光年，質量約為太陽的16.5倍，半徑約為太陽的900倍，即大約6.3億公里。如果把參宿四放在太陽系中心太陽的位置上，它的表面會超越小行星帶，甚至抵達木星軌道附近。參宿四足以裝得下7億個太陽。

參宿四的表面溫度較低，只有大約3300℃，因此它只能發出橙紅色的光。不過它的光度（絕對亮度）極高，約為太陽的12.6萬倍。較低的溫度卻擁有極高的光度，因而，參宿四是一顆紅超巨星而非一般的紅巨星。

璀璨而短暫的一生

恒星的內部

天文學家認為，參宿四的年齡大約在800萬~850萬年之間，但是參宿四在大約100萬年前就離開了主序帶，在過去的4萬年內一直是一顆紅超巨星。像參宿四這樣的大質量恒星，其內部的核燃料消耗得非常迅速，因而它們的生命周期都是非常短暫的。它們的一生究竟有多短暫呢？我們以一顆具有25倍太陽質量的恒星來舉例吧！

這顆恒星內部的氫聚變過程只有730萬年。而當內部的氫燃料耗盡后，恒星也就離開了主序帶，內部核心的溫度上升到了1.8億℃，引發了氦聚變。氦聚變會在恒星內部持續66萬年左右。之后，恒星內部的溫度繼續升高，繼而引發其他元素的核聚變：碳聚變只持續165年，氖聚變持續1.2年，氧聚變持續6個月，硅聚變只有1.2天。

大質量恒星的內部元素分布

我們看到，恒星內部的核聚變反應每一級持續的時間會變得更短。最后的硅聚變成鐵元素對于恒星來說只是一瞬間的事情。而鐵元素的誕生意味著一顆恒星的生命走到了盡頭。鐵元素在核聚變的過程中消耗的能量要比它釋放的能量還多。這就導致了恒星內部的失控。當鐵核達到一定的質量時，年老恒星原本就脆弱的平衡被打破，導致恒星出現災難性的坍縮，也就是超新星爆發。

極度膨脹的巨星

前面我們已經了解到參宿四的半徑達到了驚人的900倍太陽直徑。其實，這只是它最近幾萬年以來的樣子。那么它的體積為什么會膨脹得這么大呢？

讓恒星保持平衡狀態的兩種力

原來，在參宿四剛誕生到大約100萬年前，參宿四內部有著充足的氫元素。它可以持續穩定地進行氫元素的核聚變。這個時期就是參宿四的主序星階段，也就是它的盛年時期。這期間的參宿四持續穩定的核聚變產生了大量的熱量，由此產生向外擴張的熱輻射壓力與恒星自身的引力達到了長期平衡，從而讓恒星穩定的存在。

但是參宿四的質量實在太大了，它在短短的700多萬年內就耗盡了核心處的氫元素，繼而開啟了氦元素的核聚變。當氦聚變被啟動時，它內部的溫度能達到1.8億℃，幾乎是氫聚變時溫度的5倍。這也就意味著在參宿四的內部產生了一顆溫度更高的“新恒星”。它所產生的熱輻射壓力可以超過整個恒星自身的引力，把參宿四外層的物質推到了更遠的空間。隨著外層物質的不斷擴散，它的表面溫度也在不斷下降，于是參宿四變成了一顆紅巨星。參宿四質量巨大，即使溫度降低后仍舊有很高的光度，因而它是一顆紅超巨星而非紅巨星。

年老的大質量恒星

假如參宿四的周圍有一顆行星，此時就會葬身火海之中。氦聚變啟動的66萬年后，氦元素消耗殆盡，碳聚變開啟。此時參宿四內部的溫度將會高達7.2億℃。而隨著外層物質的不斷擴散，參宿四會損失很大一部分質量，它的引力逐漸被削弱。而碳聚變極端的高溫所產生的極大熱輻射壓與日漸削弱的自身引力形成了強烈的反差，會導致參宿四的進一步膨脹。

參宿四為什么會爆炸？

極度膨脹的參宿四就像是一個被不斷充氣鼓起來的氣球，終究有一天會被“吹破”的！也就是說參宿四最終會發生爆炸。那么參宿四為什么會發生爆炸呢？

膨脹的參宿四與太陽系比較

一旦鐵元素在參宿四的內部產生時，它就時日無多了。鐵元素在核聚變的過程中所消耗的能量要比它釋放的能量多，所以中心的鐵核不會發生核聚變。隨著參宿四核心處核聚變的減少，它所產生的向外熱輻射壓力也會減少，核心的收縮加劇。參宿四的核心會進一步收縮，溫度再次升高。在硅元素聚變成鐵元素的階段，恒星中心的溫度可高達34億℃，中心密度達到了驚人的110噸/厘米3。

在如此高的溫度和壓力下，鐵原子核會吸收周圍四處亂撞的自由電子。這些電子也是支撐核心的一種力量。如果沒有它們向外的推力，參宿四的核心就不能抵抗引力。而且此時參宿四的核心引力大得不可思議，周圍的粒子墜向核心的速度接近光速。在不到1秒鐘的時間內，參宿四的核心直徑就從幾百公里縮小到了幾十公里，并產生了極高的熱量和向外擴散的沖擊波。沖擊波與正在急速墜落的外圍物質發生猛烈撞擊，并讓它們減速。這個過程中釋放出了無數的中微子。這些中微子在瞬間釋放的能量相當于太陽一生所釋放能量的100多倍。就這樣參宿四的核心發生了爆炸。

發生爆炸的參宿四

當中微子從核心處向外爆發時，它們會猛烈的撞擊正在急速墜落的參宿四外層物質。這些物質會立刻改變方向，并以十分之一光度的速度被拋向了太空。參宿四的外層物質被猛烈地爆炸拋向外太空，形成了一片美麗的星云，猶如宇宙煙火般絢麗多彩。在星云的內部一顆直徑只有20~30公里的中子星在高速旋轉著。它是參宿四爆炸后殘留的核心形成的。

參宿四何時爆炸？

參宿四變暗之謎

人們發現，參宿四的亮度會經常發生變化。尤其是2019年的時候，參宿四的亮度突然降低了60%。于是有人推測參宿四已經發生了爆炸，只是爆炸產生的光還沒有抵達地球而已。不過后來天文學家利用歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡研究發現。這只是參宿四向太空中噴射了大量的物質。它們在冷卻后擋住了參宿四的光線。當這些物質塵埃散去后，參宿四的亮度又恢復了。

那么參宿四何時會發生爆炸呢？目前天文學家的研究表明，參宿四正處于氦聚變階段。前面我們提到過，像參宿四這樣的大質量恒星，其核心處的氦聚變會持續幾十萬年的時間。因此，我們經常看到的說法，參宿四“即將”發生爆炸中的“即將”至少也是10萬年以后的事情了。

參宿四爆炸對地球的影響

參宿四爆炸

在未來的某一天，我們也許會發現天上的參宿四突然變亮，發出耀眼的光芒。在之后的幾周時間內，它將比晚上的滿月還要亮。甚至在白天也能看到它的身影。那么參宿四超新星爆發后會不會對地球上的我們造成影響呢？答案是參宿四的爆炸不會對我們造成任何影響。那天文學家為什么會得出這樣的結論呢？

首先，超新星爆發時產生的大部分能量都會被中微子帶走。中微子幾乎不會和任何物質發生相作用。也就是說幾乎所有的中微子都可以徑直穿過地球，不會對我們造成任何威脅。

伽馬射線束流

其次，超新星爆發時產生的伽馬射線噴流是會對地球造成威脅的。但前提是這些伽馬射線噴流得對準地球。一般情況下超新星爆發所產生的伽馬射線噴流是沿著死亡恒星自轉軸方向噴出的。幸運的是，參宿四的自轉軸沒有指向地球。因此，它在爆炸后所產生的伽馬射線噴流不會射向地球。

最后，地球與參宿四保持著安全距離。雖然根據不同的模型計算得出的參宿四到地球的距離從550光年到724光年不等，但都在500光年以外。那假如參宿四爆炸時所產生的伽馬射線噴流對準了地球會對我們造成威脅嗎？

伽馬射線束流幾種地球

根據天文學家的估算，參宿四爆炸后所產生的伽馬射線噴流的總能量為1×10^44焦耳。這相當于太陽在83億年內釋放出的能量總和，幾乎相當于太陽一生釋放的能量總和了。不過，參宿四的伽馬射線噴流不是一次性釋放出來的，而是會持續數周到數月的時間。并且伽馬射線噴流呈圓錐形，也就是說它傳播的越遠，束流的橫截面積就越大，伽馬射線的功率就會越小。

假設參宿四爆炸時所產生的伽馬射線噴流持續時間為20天，距離地球500光年，那么當它抵達地球時，單位面積的伽馬射線功率已經降為148瓦/米2了，也就只有地球接收到的單位面積的太陽輻射功率的十分之一左右了。很顯然它們不會對我們造成什么威脅了。并且，地球的大氣層還會幫我們攔截大部分射向地球的伽馬射線。

超新星爆發

因而，當參宿四發生爆炸時我們大可不必擔心。可如果參宿四到地球的距離在50光年以內的話，那可就危險了。好在太陽系的周圍沒有一顆即將死亡的大質量恒星。生活在地球上的我們真的是太幸運了。大家說是不是這樣呢？

文中天文數據參考資料：《宇宙全書——國家地理新視覺指南》、《宇宙視覺史——信息全圖透視宇宙大歷史》、《宇宙奧德賽——穿越銀河系》等，僅供參考。