图5 使用VLT/SPHERE-ZIMPOL在644.9nm处获得的参宿四不同时刻的图像
在2019年1月和2019年12月参宿四变暗前后 ， 欧洲南方天文台的甚大望远镜(ESO-VLT)观测到的参宿四表面图像显示 ， 它已经变暗 ， 而且形状似乎也在发生变化 ， 这表明它的光球层或其周围发生了一些变化（图5） 。 在可见光波段观测中看到的暗区可以用巨黑子来解释 ， 其温度低于变暗前参宿四的典型温度 。 异常变暗是超新星爆发的前兆吗？超新星爆发前期的物理机制还不是很清楚 ， 没有人知道恒星在超新星之前的行为究竟如何 。 由于参宿四在不久的将来（10万年内）会爆发为超新星 ， 有人认为它变暗是它即将发生超新星爆发的前兆 。 而红超巨星变暗和超新星爆发的关联只是一个理论上的猜测 。 参宿四距离我们430光年 ， 也许它已经爆发了 ， 只是我们目前还没有看到 。 参宿四神秘变暗的新解释
林忠四郎提出了恒星满足流体静力学平衡条件所需的温度下限 ， 简称林极限（Hayashi limit） 。 参宿四的林极限应该约为3500K ， 而赵刚团队通过近红外高分辨率光谱测量得到的参宿四在2020年1月31日光度最暗时温度降为3476K ， 是银河系红超巨星测得的最冷温度之一 。 是什么导致温度下降超过了林极限？这是一个十分令人感兴趣的问题 。 此前人们也曾发现红超巨星UY Sct的温度低至3365K ， Levesque E.M等人（2015）在74颗银河系红巨星中也只发现1颗温度低于3500K 。 这些低于林极限的恒星是真的处在流体静力学平衡吗？被观测到的有效温度有误吗？对这些意想不到的低温 ， 恒星的演化理论受到了挑战吗？还是说恒星表面的巨黑子降低了它们的有效温度？
本研究给出了答案：红巨星表面存在黑子 ， 这些巨黑子可能是对流或冷对流元引起的 。 在2020年1月31日 ， 通过参宿四高分辨率红外光谱探测到的有效温度为3476K ， 可以用一个温度为3306K的巨黑子占据温度为3646K的恒星表面积的50%来解释（图6） 。 在2019年10月至2020年2月之间 ， 探测到的参宿四的温度降低~170K ， 是巨黑子面积的变化导致恒星整体有效温度的变化 ， 从而导致了这次神秘变暗现象 。
图6 含有巨黑子的恒星表面示意图和四个不同观测时刻的窄波段光谱（7705-7811 ?）以及相应的最佳有效温度Teff拟合 。 在图中 ， 纵坐标相对流量的定义是特定波长处的流量(Fλ)与连续谱中的流量(Fc)的之比 。 棕色点标示的是观测光谱 ， 黑色实线标示的是根据恒星参数计算得到的理论光谱 。 a）在2020年1月31日 ， 一个温度为3306K的巨黑子占据有效温度为3646K的恒星表面积的50%时 ， 恒星展现出的整体有效温度为3476K 。 同样b）、c）、d)分别在2020年3月19日、2020年4月4日、2020年4月6日 ， 巨黑子面积逐渐减小为33%、10%、0% ， 整颗恒星的有效温度升高为3534K、3611K、3646K 。 温度的升高 ， 可通过巨黑子表面积的减小来解释 。 （图片来自Sofya Alexeeva et al.2021）
研究人员采用了一种特别为红超巨星开发的新方法 ， 确定了参宿四的有效温度、化学成分和表面重力 。 红超巨星是宇宙中重元素增丰的主要贡献者 ， 这一发现也将有助于更好理解红超巨星的性质 。
延伸阅读延伸阅读：
对参宿四的研究为何需要光谱观测？
恒星的颜色当我们仰望璀璨星空时 ， 你会注意到恒星是有不同颜色的 ， 比如心宿二因为火红色而被名为“大火” ， 和参宿四一样呈现红色 ， 天狼星和织女星为白色 ， 角宿一（室女座α）为蓝色 。 恒星为何有五颜六色呢？这是因为它们的温度不同 。 根据维恩定律 ， 温度越高的物体辐射的峰值波长越短 ， 即发出的光线越蓝；温度越低的物体辐射的峰值波长越长 ， 即发出的光线越红 。 这也是我们使用燃气灶做饭时喜欢蓝色火焰的原因 。
恒星的光谱根据基尔霍夫定律可知 ， 恒星内部热的、致密的气体产生连续谱 。 当这些连续辐射通过恒星表面的冷的、稀薄的气体时 ， 某些特定能量的辐射被气体吸收 ， 产生能级跃迁 ， 就会在特定波长处产生吸收线 。 绝大多数恒星的光谱为连续谱叠加了一系列吸收线 。
19世纪末到20世纪初 ， 美国哈佛大学天文台对恒星的光谱按照温度从高到低进行了分类 。 温度高的恒星光谱主要呈现出高电离H线、He线；而温度低的恒星光谱中包含更多的中性和一次电离金属线C、N、O等 ， 也有分子谱带（见图7） 。
图7 不同光谱型(O~M型)恒星光谱 ， 如同恒星身份识别的“条形码” 。 (原图来自Nicholas Shoit ， NASA)
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