几个恒星的体积比较，太阳……已经小得看不见了。
17世纪天文学家约翰·赫维留笔下的猎户座。参宿四就在画中猎户的右肩上。由于视角的关系，该图中的星空和我们实际观测到的呈左右镜像关系。
近15年来参宿四缩小15% 天文学家认为它可能即将发生超新星爆发
“猎户之肩”即将爆炸
猎户座是人类最熟悉的星座之一，大概除了北斗七星所在的大熊星座，一般人认识的星座就只有这个宽肩细腰的“猎人”了。猎人的肩头有一颗星叫“参宿四”。它是全天排名第10的亮星。不过，近15年来，参宿四缩小了15%。一些天文学家认为，它很可能“在我们眼前”变身成一颗超新星。更粗鲁一点的说法是：它老人家要爆炸了！
1 类别 行将就木的红巨星
参宿四是一颗红巨星。所谓巨星，就是一颗恒星的体积膨胀得很大，相当于它“青年时期”的十亿倍之多。称它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。
参宿四有多大呢？因为很难说它的边界到底在哪里，所以只能给出一个大概的数字。参宿四的质量约是太阳的20倍，而体积超过太阳的两亿倍。
一般来说，红巨星都处于恒星的“晚年”。之所以说它处在晚年，是因为它即将变成超新星爆掉。简单说，红巨星内部的核燃料将不足以支撑它那么大的体积，而引力引起它的坍缩。在这个过程中引力势能会形成巨大的热能，造成大爆炸。
天文学家相信，参宿四的历史只有850万年，刚够从猿猴演化成人的时间，但因为它的质量太大了，所以演变的速度非常快。在此需要再一次感谢我们世界的大佬———太阳，正因为它老人家大小合适，才能让我们消消停停地在地球上演变成现在的样子。
虽然可以肯定参宿四已经进入老年，但它什么时候“死掉”却很难确定，可能是上万年，也可能是1000年内，也有可能就在明天。近年来它持续缩小，有人觉得它很快就要爆掉了。
2 变数 15年来持续缩小
美国加州大学伯克利分校设在南加州威尔逊山脉顶峰上的红外空间干涉仪(ISI)长期监测表明，从1993年开始，参宿四的直径已经缩小了15%。参宿四的直径大约有5个天文单位，也就是说它的直径五倍于地球轨道，而缩小的部分相当于金星的轨道直径那么大，缩小速度平均大约是每小时760千米。
加州大学伯克利分校的名誉教授、曾因发明激光和微波激射器而获1964年诺贝尔奖的汤斯(Charles Townes)说：“这个变化非常让人吃惊，我们将会密切关注它，看看它是会继续缩小，还是会胀大到原来的大小。
汤斯和他的同事，该校的空间科学实验室实验物理学家维施诺(Edward Wishnow)表示，ISI在15年来一直集中观察参宿四，主要是为了更多地了解这颗巨大恒星的表面。他推测这颗恒星表面有巨大对流气室，就像太阳表面的对流气室一样，它们可能影响了对它直径的观测。汤斯和曾经带过的研究生塔特比(Ken Tatebe)曾经在近年观察到参宿四表面上有亮斑，说明它表面可能被一个巨大的气室包围，虽然它看上去还是对称的。
虽然参宿四的直径缩小了，但是它的亮度并没有明显降低。据美国变星观察协会的测定统计，在15年里这颗星的光度并没有明显的变化。但它的亮度在历史上确实有过很大变化，它是一颗“变星”，也就是亮度会变的恒星。1836年，约翰·赫希尔爵士发表论文说，参宿四的亮度在1836年到1840年之间增强，之后又减弱。之后每隔几年都会经历一次这样的亮度循环。但在1957年到1967年之间，它的亮度几乎没有变化。据美国变星观察协会统计，它最暗的时候是在1933年和1942年，光度是0.2，而最亮的时候是在1927年和1941年，光度几乎达到1.2。
3 测定 相关数据多次变动
参宿四有着光荣的“直径测量史”。事实上，它是除太阳外被人类测量直径的第一颗恒星。上世纪80年代到90年代初，科学家们对参宿四表面进行了研究，它是除太阳外第一个在望远镜中显现“盘子”形象的恒星。
1921年，皮斯和迈克逊通过光学干涉仪测定参宿四的大小相当于火星的直径。以前一直以为参宿四距地球430光年，去年测定确认它距地球640光年。根据“近大远小”的规律，对它大小的估计也就要相应调整，于是它的直径数据从3.7个天文单位变成了5.5个天文单位。可见参宿四的直径比太阳大出很多。体积跟直径的立方成正比，所以参宿四的体积是太阳的上亿倍就一点也不奇怪了。
维施诺表示，从1921年的测量起，参宿四的直径已经被测定过多次，差异大约有30%。不过他说，在任一指定波长的测量数据中，同一时间段测量的数据都在仪器的误差范围内。
4 期待 如果爆发将创历史
ISI是由汤斯和同事们于上世纪90年代修建的，主要通过一个窄波段的中红外线来测定恒星的边缘。汤斯说：“我们观察波长大约11微米的中红外光。这种光可以穿透灰尘。”
汤斯表示，他们很幸运拥有一台能够在15年内一直运转，不断提供参宿四直径测量数据的机器。“当你以更大的准确性观察事物，你会找到一些惊喜，会发现非常基础，非常重要的事情。”他们第一次测量结果很接近迈克逊的数值，但是在15年中，它的直径已经减少了15%。这种变化是一种“匀加速过程”，也就是说它变小的速度越来越快，不过“加速度”是恒定的。
有人说这种缩小说明参宿四进入了引力坍缩阶段，而它的质量足够让它变成一颗中子星或黑洞。对于它的大小来说，它850万年的岁数算是够大了，它可能会在未来的1000年内变成超新星爆掉。如果爆发，它将是有史以来最亮的一颗超新星。而且，它将是人类第一颗“眼睁睁看着爆发”的超新星。中国科学院高能物理所研究员谭有恒表示，人类此前从来没有看到一颗恒星变成超新星的全过光年，所以它爆发时放出的射线并不足以毁灭地球的生态系统。
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大众文化中的参宿四
猎户座的主体有七颗亮星，中间三颗稍暗的就是电影《变形金刚2》中提到过的“三个国王”，相当于猎户的腰带；有两颗亮星组成猎户的“肩头”，还有两颗亮星组成他的“裙角”。参宿四的英文名字“Betelgeuse”，在拉丁语中是“腋窝”的意思。因为参宿四火红的颜色，它又被叫做“战争星球”。
参宿四被称作“猎户座阿尔法星”，但它实际上比“猎户座贝塔星”还要暗一些，后者位于“猎户右裙角”。
在中国，猎户座的七颗亮星是星座“参宿”的主要组成部分。“参”特指“腰带三星”。“参宿四”的意思是“参宿”的第四颗星，之所以排老四，是因为“猎户的腰带”三颗星占了前三位。
恒星晚年绚烂爆发 肇造黑洞以及各种重元素
宇宙中的“超级巨星”
参宿四在15年内变暗15%。这个奇怪的现象让科学家们猜测，它可能会在一个较短(其实对人类来说很长)的时间内变成一颗超新星。那么，什么是超新星呢？简单来说，超新星就是宇宙当中的“super star”。
1 太空悲剧大爆炸
超新星爆发非常亮，其瞬间亮度经常能超过整个星系的亮度总和，在几周或几个月后从人们的视线中消失。在这个短暂的爆发周期中，超新星所释放出的能量，比太阳在其整个生命周期中所释放出的还要多。这种大爆炸会让恒星中的大量物质以1/10光速的速度向外扩散，冲击波会激荡周围所有的物质。冲击波裹挟爆发前就已经在超新星周围的气体外壳和灰烬，让它们也加速向外扩散。
天文学家推测，有好几种机制都可能激发超新星爆炸，其中包括突然加大内部能源供应，也包括突然停止内部能源供应。
红巨星即将走完自己辉煌一生的时候，它内部的核能快要燃烧殆尽，产生的热量已经不足以维持它庞大的体积，其主要的物质可能因为巨大的引力而发生坍缩。在坍缩的过程中，引力势能会转化成巨大的热能，把星体外围的物质向外推。这个过程就像一出悲剧，在它的核心瞬间发出巨大的热，让它的其他部分快速远离，并同时发出强烈的光。
在这样的爆发发生之前，红巨星的外部开始发生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球。火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。一些天文学家认为，我们现在看到的参宿四，正是这样的。
第二种情况则是一个白矮星不断吸收周围物质，让它的内核温度和密度不断上升，以致引爆碳燃烧过程。在几秒钟之内，白矮星内部的一部分物质会发生核聚变，释放巨大的能量而引起超新星爆发。
当然，超新星爆发还有其他几种可能的机制。超新星的“超”字可不是白给的。中科院高能物理所研究员谭有恒说，超新星和新星的区别在于爆发能量的显著不同，前者是后者的几万倍，所以前者突然增加的亮度也是后者的很多倍。两者的机制也完全不同，新星的爆发不像超新星那么激烈，最终也不会造成一颗恒星的灭亡。
2 形成奇怪密星体
超新星爆炸让恒星死亡了，那么爆炸之后会留下些什么呢？答案是中子星和黑洞。
在红巨星坍缩过程中，恒星物质中的电子并入质子转化成中子。星体剩余的物质形成一个直径大约只有十余千米的球。组成这个球的物质，密度超大，1立方厘米的物质便可重达10亿吨，火柴盒大小的物质，需要96000个火车头才能拉动。中子星虽然很小且不发光，但它可不是冷的哟。天文学家估计，中子星的表面温度就可以达到1000万度，中心能达到60亿度，而太阳表面温度6000摄氏度都不到。
中子星还有一个奇怪的性质，它可以发出像时钟一样准确的脉冲。1967年，天文学家偶然接收到一种奇怪的电波。这种电波每隔1至2秒发射一次，就像人的脉搏跳动一样。人们曾一度把它当成是外星人的呼叫，轰动一时。后来，英国科学家休伊什(Antony Hewish)终于弄清了这种奇怪的电波的来由。原来，中子星的旋转速度极快，磁场又极强，所以会因为电磁转化而向外发出电波。由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人在眨眼。
中子星是宇宙中密度第二大的星体———名列榜首的当然就是大名鼎鼎的黑洞了。超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的两三倍，那它将继续坍缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的“奇点”，并从人们的视线中消失。围绕着这个奇点的是一个“无法返回”的区域。这个区域的边界被称为“视野”或“事件地平”，而区域的半径则叫做“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。谭有恒说，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞。一些科学家怀疑银河系中心就是一个黑洞。黑洞虽然“黑”，但并非完全不能被探测到，比如当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，并发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才会以这种方式发射χ射线和γ射线。
3 穿金戴银全靠它
超新星爆发后，向外发射很多“宇宙线”。谭有恒说，宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子，它的组成包括太阳系中所有的各种原子核。在超新星爆发后，粒子会经电场加速、磁场加速，后来又有冲击波加速，把它的速度加速到接近光速，形成高能宇宙线。
那么，宇宙线打在人身上会产生什么作用呢？谭有恒说，它们打在身上会有一系列作用，太多就会把人杀死，而微量的宇宙线却能够帮助人体产生营养物质。那么，超新星爆发会对地球环境产生影响吗？谭有恒表示，完全不用担心这种问题。超新星喷发出的宇宙线大多是沿着它的旋转轴心方向。大多数情况下，这个轴并不指向地球。而且超新星大多离我们很远，由于宇宙中存在着大量的物质和磁场，这些高能粒子在运动的过程中会偏转，正好打到地球的数量并不会太多。而进入太阳系之后，太阳的磁场，也就是所谓“太阳风”会把它们“吹”走。地球的磁场也会使它们偏转。最终，大气层还能降低它们的能量。和太阳射线对我们的影响相比，超新星爆发对人类的影响将是微乎其微的。
不过，超新星爆发却给我们带来另一种重要影响，那就是产生重元素。多数科学家认为，宇宙初期的大爆炸形成了氦、锂等轻元素，之后它们通过聚变形成更重的元素。在所有元素中，比铁轻的元素都能够通过聚变释放能量，而重于铁的元素的形成过程则需要吸收大量能量。所以聚变形成的最重元素就是铁。科学家一般认为比铁更重的元素都是由超新星爆炸形成的。所以，如果没有重金属元素，也就不会有金首饰和钨丝灯泡，也不会有核反应堆了。如果电视购物的推销员知道了这一点，他们聒噪的宣传过程或许会变得有趣一些：“现在，你可以把来自百亿年前的辉煌佩戴在自己胸前！”或者“天呐！为了这串项链，一颗恒星都爆了呀！”
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超新星发现史
古代中国人将新星和超新星叫做“客星”。历史上最早的一次新星记录出现在春秋时期。最早的超新星记录大概要属《后汉书·天文志》中的记载了。这颗超新星在公元185年12月7日出现，到公元187年七八月间才消失，总共持续了大约一年半。
最令人瞩目的超新星要属《宋会要辑稿》中记载的1054年出现在天关星附近的那一颗。后来，人们在这个位置上发现了蟹状星云。1921年，天文学家推算它的年龄只有1000多年。人们很自然就会推想蟹状星云可能是1054年超新星爆发所射出的外部物质扩散形成的。谭有恒说：“我们老祖宗发现了蟹状星云超新星，现在那个口还开着，放出宇宙线”。
2008年，天文学家发现了278颗超新星。不过，其中大部分都要借助望远镜才能看到。用肉眼能够观察到的只有6颗。1987年2月23日，天文学家在大麦哲伦星云中发现了一颗超新星，这是自1604年以来第一颗用肉眼能看到的超新星。如果参宿四爆发的话，我们也能用肉眼观察到它。除此之外，天文学家们认为，位于船底座的海山二(150倍太阳质量，7500光年左右)、位于天蝎座的大火(15倍太阳质量，600光年)、位于室女座的角宿一(260光年)等著名恒星都排列在这张超新星等待表上。
新知专题采写/本报记者 刘铮 本专题感谢：谭有恒(中科院高能物理所研究员)
