参宿四“大暗淡”之谜被卫星意外拍摄照片解开

日本向日葵8号航天器的图像揭示了红色超巨星显著变暗的原因

Partially obscured star.

这张参宿四尘埃云的艺术家印象图是使用2019年末欧洲南方天文台甚大望远镜上的SPHERE仪器拍摄的红色超巨星图像生成的。

2019年末,就在COVID-19疫情席卷全球的几个月前,世界大部分地区的注意力反而集中在一个距离我们500多光年的、泛红色的、正在变暗的光点上。参宿四,这颗红色超巨星很容易被认作猎户座的右“肩”,它突然且神秘地变暗了超过两倍。一些天文学家推测它正处于作为超新星爆发的边缘——否则预计会在未来10万年左右发生的一次事件。然而,到2020年2月初,变暗停止了,几周内这颗恒星恢复了正常的亮度,这给研究人员留下了关于这个被称为“大暗淡”的奇异事件挥之不去的问题。

答案逐渐从众多关注这颗恒星的天文台的观测中浮现出来。首先,一个研究团队曾使用哈勃太空望远镜在事件发生前、期间和之后观测参宿四,他们报告说,从恒星表面喷射出的大量热物质形成了一片遮蔽尘埃云,导致了明显的变暗。然后,另一个团队使用来自中国威海天文台的数据发现,在“大暗淡”期间,参宿四的温度骤降了至少170开尔文,研究人员认为,温度骤降不是由于尘埃云,而是由于他们推断一定在恒星表面短暂形成的一个非常大的、相对较冷的暗斑。最后,又一个团队使用智利甚大望远镜的观测结果得出结论,认为这两种情况都是正确的。在这个混合模型中,恒星南半球暗斑的出现降低了周围的温度,并喷射出一个热气泡。然后,当逸出的物质冷却时,形成了一片巨大的、阻挡星光的尘埃云,从而产生了“大暗淡”。

现在,一个非常规的望远镜——一颗气象卫星上的相机——也加入了进来,带来了一系列新的观测结果。在意识到参宿四出现在日本地球观测卫星向日葵8号的视野中后,东京大学的三名研究生决定仔细研究该卫星在“大暗淡”期间拍摄的存档图像。他们发表在《自然·天文学》上的研究结果支持了双重假设,同时也提出了一个令人兴奋的可能性,即其他气象卫星的数据可能被重新用于广泛的天文观测。对向日葵8号图像的研究甚至启发了美国国家海洋和大气管理局探索其自身的一颗卫星是否可以复制这些发现。


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“他们做得非常聪明,”哈佛-史密森天体物理学研究所的天体物理学家 Andrea Dupree 说,她对这项研究很熟悉。“当然,我喜欢这个结果。” Dupree 领导了早期的研究,该研究使用哈勃数据将“大暗淡”与参宿四喷出尘埃云联系起来——她指出,这一结论最初受到了很多争议。

Dupree 对于使用非常规方法进行棘手的观测并不陌生。从四月到八月,地球绕太阳的轨道使参宿四在天空中非常接近我们的太阳,以至于由此产生的眩光破坏了来自地面或近地轨道上大多数望远镜的观测。位于太阳系其他地方或地球周围某些特殊高轨道的望远镜仍然可以获得不受阻碍的视野。受到“大暗淡”的启发,在 2020 年初,Dupree 联系了 NASA 戈达德太空飞行中心的官员,要求使用该机构的 STEREO-A 航天器(该航天器绕太阳而不是地球运行)在夏季再次观测参宿四。但尽管她自己具有创造力,Dupree 说她也从未想过使用气象卫星。

使用向日葵8号数据的想法始于一条推文。在浏览 Twitter 时,主要作者谷口大祐看到一篇关于地球卫星意外摄入向日葵8号部分图像的帖子。他想知道是否也可以使用气象卫星来观测参宿四。有几个优点使这个想法很吸引人。“地面望远镜不可避免地会受到地球大气层的影响,并且无法观测到红外波长范围的许多部分,”谷口说。虽然空间望远镜没有这个障碍,但在它们上面获得观测时间的竞争“非常激烈”。

因此,谷口联系了研究生同学兼最终研究报告的合著者山崎和哉,看看他们是否可以绕过竞争并进行自己的观测。山崎回忆说,起初,“我并没有完全自信,因为[在向日葵8号的图像中],与月球相比,星星非常暗。” 但山崎与谷口和第三位研究生、研究报告的合著者宇野慎介一起,决定尝试一下。

当参宿四进入向日葵8号的视野时,实际上并不难看到它——它看起来像一个悬停在地球盘边缘的点。它还受益于在光学和红外波长下都很明亮,这增加了它在气象卫星探测器中注册的机会,而这些探测器并非为天文应用而设计。但是,仅仅在卫星图像中找到恒星是一回事——使用数据进行实际的高精度恒星测量是另一回事。山崎说,数据整理是这项研究中最艰巨、最耗时的部分。

受到向日葵8号结果的启发,Dupree 已请求 NASA 和 NOAA 的地球静止业务环境卫星-R (GOES-R) 系列气象监测卫星产品质量团队的校准科学家 Jon Fulbright 的帮助,以查看这些航天器是否可以帮助复制它。截至撰写本文时,Fulbright 仍在尝试从 GOES-R 数据中提取有关参宿四的见解,并且正在努力应对该任务所需的繁琐的单位转换和像素大小调整。他说,使用这种非常规数据源的好处可能并不总是超过缺点。

“我一直在纠结这是否是一次性的事情,”Fulbright 说。就像日本团队一样,他和他的同事怀疑,为了使这种新颖的方法充分发挥其潜力,必须开发更好的方法来弥合气象和天文数据集之间的差距。但是,只有在设计新一代地球观测卫星时考虑到这些因素,才可能出现与天文学的协同效应。“也许,”他说,“这样的事情会激发人们的想法。”

Allison Gasparini 是一位科学作家,曾为《福布斯》、《科学新闻》、《美国国家航空航天局》、《布鲁克海文国家实验室》、《美国物理学会》、《斯坦福大学》等撰稿。在 Twitter 上关注她 @astrogasparini

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SA Space & Physics Vol 5 Issue 4本文最初以“参宿四“大暗淡”之谜被卫星意外拍摄照片解开”为标题发表于《大众科学》空间与物理 第 5 卷 第 4 期(
doi:10.1038/scientificamerican082022-4g5ChKHB2Gvae9xE0KoVNS
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