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【天文】William:「又」將發生超新星爆炸的參宿四?

參宿四在獵戶座近頂端的箭嘴位置,原是全天肉眼可見十大最亮恒星之一。獵戶座可是香港冬日常見的星座,2月座晚上10時會十分接近天頂位置。(網絡圖片)

 

當整個一月世界都被2019新型肺炎所困擾之時,部分人也將其注意力轉往中東亂局、美俄太空暗戰(另篇有述)及更遙遠的……星空。事實上,近一年來不時都會聽到報道指700光年外獵戶座的恒星參宿四(Betelgeuse)可能於短期內發生超新星大爆炸,至12月底其光度跌到自有觀測紀錄以來最低時,更有部分華文媒體(例如可信度一直很低的大x元系列)言之鑿鑿地指參宿四即將發生超新星爆炸(甚至已經爆炸或釋放巨大重力波之類(1)),好像唯恐天下不亂似的。

 事情究竟是怎樣的?參宿四雖非距太陽最近的巨大恒星(質量為15-19倍太陽質量,暫未有最準確數據),比它更近地球的巨大恒星至少有四顆,但只有參宿四發展至晚年紅巨星階段,若以1000光年半徑範圍來說,它是唯一發展至生命最後階段的巨大恒星。

 

參宿四質量最多為19個太陽質量,但直徑就大太陽1400倍。這其實顯示該恒星至少在光球層上的密度也是極稀薄的。照片左上方似乎有更光亮的區域,可能表示該區有更激烈的恒星表面活動。照片來自ALMA 阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列

 

根據星體演變的數學模型顯示,一個大約8倍太陽質量或以上的恒星,不但壽命十分短(網上模擬器顯示只有5500),在壽命末期也不會像太陽這些小質量長壽恒星般燒完核心的氦然後消散,成為白矮星及行星狀星雲,反而會以塌縮形式大幅增加核心溫度與壓力,讓核心的碳(氦聚變後的廢物)聚變起來,產生能量以維持引力平衡。碳燒完後又會再塌縮以進行氖聚變,然後到氧及矽,最後到聚變反而會吸收能量的鐵。這過程中由於產出能量愈來愈不足,為保持引力平衡,唯有不斷利用塌縮加劇聚變過程(也是恒星脈動變光的其中一個原因),結果每個聚變程序所能支持的時間也愈來愈短。例如碳只能燒數千年,氖的數年到矽的1日等。等到鐵聚變發生時,已經再沒有能量維持星體平衡,結果就一切都完了。不過這是個數學模型,現代天文學發展以來還未有足夠時間及一顆足夠近的恒星讓我們觀測到整個過程,以及每個塌縮階段中恒星的反應與表徵。

大質量恒星死前,內部會呈現多樣的物質分層,最終狀態時內部溫度更會多達30-40億度。若本體恒星超過20倍太陽質量(中心質量也超過太陽五倍),那其就有可能持續塌縮到壓跨時空,形成黑洞。(網絡圖片) 

 

亦因為此,我們雖然透過光譜分析及恒星質量散失大約知道參宿四已在晚年,但因為可茲參考的表徵很有限,更不能直接觀測核心情況,所以我們根本不知道它究竟是在晚年狀態的哪個階段。學術界現時最主要分成兩派,即還在氦燃燒階段,以及在碳燃燒的階段,前者稍佔優勢。若果前者正確,則參宿四至少有數千年以上的壽命,但若是後者,則可能只有數百年甚至更少。

晚年大質量恒星的一個常見現像,是相當的質量因為恒星的激烈活動而流失。最中心小紅圈是參宿四的星體表面(約木星軌道範圍),白色圈表示海王星軌道範圍。由此可見該星的氣殼物質已擴散到遠遠超越古伯帶的範圍了。(網絡圖片)

 

現在最大的問題是,參宿四過去一直有比較具周期性的亮度升降變化,但最低也不會暗於1.2等,然而由去年41日開始本星即連續變暗,至現在已降至1.6等以下且仍持續,幅度大到是75年觀察史以來未見過的,這變暗過程也有可能來自其表面物質的流動狀態,但也有可能是恒星以重力塌縮(2)的形式試圖觸發下一階段的核心物質的聚變以維持能量(例如氦到碳或碳到氖)。有天文學家去年底即指出,如果變暗情況持續,就真的可能「出大事」了。

美國AAVSO所繪製的參宿四光度變化圖,更新至1月,而照最新消息顯示,現時光度仍持續下跌,光度已減少了25%。(網絡圖片)

 

不過,怎樣判斷參宿四真的要爆了?如果某一天世界各地的微中子探測器忽然出現大幾倍的微中子流,才好叫醒天文學家準備幾個小時後發生的事,因為愈激烈的核反應才會產生極大量的微中子流,前如前面所說,在大質量恒星最後演變階段,為榨取能量繼續聚變,恒星會不斷塌縮至核心的物質發生聚變以取得能量維持平衡,但核心最終會變成鐵,而鐵在進一步塌縮的情況下,聚變反而會吸收能量,結果整個巨恒星就開始不能逆轉的引力塌縮。

 

超新星SN1987A殘骸歷年照片紀錄。一般相倍”珍珠環”是在超新星爆發前已脫離該星的氣殼,然後該星本身的衝擊波與高速飛散的殘骸粒子每秒3000公里的速度撞進氣殼中,令氣殼加熱發光。(網絡圖片)

這時恒星的鐵核心會先塌縮成密度極高的中子星,然後當星體物質再以極高速度(0.23倍光速)撞向中子星表面時,動能會激發極為巨大的能量釋放並形成足以摧毀恒星的衝擊波。衝擊波至少要數小時才能達到恒星表面並摧毀整個恒星,但他們壓縮物質時又可能引起劇烈的聚變反應。極大量能量爆發所產生的中微子由於極小也幾乎沒有質量,它們會以光速穿過星體各層並進入太空,並早星體爆炸的閃光幾個小時來到地球,超新星SN-1987A即發生過這種情況。

就現時科學家所知,GRB有好幾個來源,但比較常見的是巨恒星發生超新星爆炸時所產生的。基本原理是:如果星球質量足夠大而自轉速度極高,其中心會塌縮成一種名為磁星的強力中子星。其磁力之強足可令一部分撞到磁星上的恒星物質與能量被進一步加速加熱,然後向南北磁極方向發射出去,成為極強力的高能量噴流;另外中心若塌縮到直接變成黑洞,流進黑洞吸積盤的物質同樣會被加速至極高速度及能量,然後在被吸入黑洞前即已在南北極兩端以極高速度射出。(網絡圖片)

 

那會對地球有什麼影響?參宿四若發生超新星爆發,將會是有人類文明以來最接近地球的爆發,到達地球時光度仍可能持在滿月水平,不過其衝擊波與爆發物質仍需600萬年才能到達地球(這還未計算600萬年內太陽系已經移位接近400光年),爆發的強力輻射及宇宙射線在空間中經過700多年的擴散,其密度也完全是太陽系磁場、地球磁場及大氣層的抵禦水平之下,加上星體的質量、自轉及磁力水平也不足以引發伽瑪射線暴(Gamma Ray Burst / GRB),自轉軸也非向著地球,故地球也幾無可能遇上那種可完全摧毀地球臭氧層的滅世浩劫。

 

 所以,即使明天參宿四的爆炸閃光到達地球,大家還是可以當成一個至少看幾個月(甚至日間都可見)的天文現像,慢慢欣賞好了,不要在世間諸多煩惱事中多加一項。

報道引述加州大學聖巴巴拉分校的天文學家Andy Howell指出,兩次重力波事件都不在參宿四(圖中央接近右下方的橙色星球)的位置內。(網絡圖片)

註1:一月時天文學家的確探測到獵戶座方向有兩次強大重力波事件,但全都不在參宿四所在星區,而是在遙遠得多的深空。

註2:重力塌縮有可能令恒星體積變小,體積變小在遠距離觀察來看其實也會令恒星變得較暗。

 

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William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

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