揭秘参宿四：如何成为红超巨星？参宿四爆炸后对地球有什么影响？

2月份天黑以后，冬季星座之王猎户座赫然出现于南方天空。猎户座左肩膀红色的参宿四格外的醒目。参宿四是我们在地球上所能看到的除太阳以外最大的恒星，也是夜空中仅有的两颗红超巨星之一。它是科学家最为关注的恒星，最近也频频登上科学头条：2019年它的亮度突然变暗60%，有人猜测它即将爆炸。参宿四究竟是一颗怎样的恒星呢？如果它发生了爆炸，我们在地球上会看到怎样的奇观？它会威胁人类吗？让我们揭开这颗红色巨星的秘密。

宇宙中的巨无霸

参宿四是肉眼可见的最大最亮的恒星之一。它是一颗半规则变星，视星等在0.0~1.3之间变化。参宿四距离地球大约550光年，质量约为太阳的16.5倍，半径约为太阳的900倍，即大约6.3亿公里。如果把参宿四放在太阳系中心太阳的位置上，它的表面会超越小行星带，甚至抵达木星轨道附近。参宿四足以装得下7亿个太阳。

参宿四的表面温度较低，只有大约3300℃，因此它只能发出橙红色的光。不过它的光度（绝对亮度）极高，约为太阳的12.6万倍。较低的温度却拥有极高的光度，因而，参宿四是一颗红超巨星而非一般的红巨星。

璀璨而短暂的一生

天文学家认为，参宿四的年龄大约在800万~850万年之间，但是参宿四在大约100万年前就离开了主序带，在过去的4万年内一直是一颗红超巨星。像参宿四这样的大质量恒星，其内部的核燃料消耗得非常迅速，因而它们的生命周期都是非常短暂的。它们的一生究竟有多短暂呢？我们以一颗具有25倍太阳质量的恒星来举例吧！

这颗恒星内部的氢聚变过程只有730万年。而当内部的氢燃料耗尽后，恒星也就离开了主序带，内部核心的温度上升到了1.8亿℃，引发了氦聚变。氦聚变会在恒星内部持续66万年左右。之后，恒星内部的温度继续升高，继而引发其他元素的核聚变：碳聚变只持续165年，氖聚变持续1.2年，氧聚变持续6个月，硅聚变只有1.2天。

我们看到，恒星内部的核聚变反应每一级持续的时间会变得更短。最后的硅聚变成铁元素对于恒星来说只是一瞬间的事情。而铁元素的诞生意味着一颗恒星的生命走到了尽头。铁元素在核聚变的过程中消耗的能量要比它释放的能量还多。这就导致了恒星内部的失控。当铁核达到一定的质量时，年老恒星原本就脆弱的平衡被打破，导致恒星出现灾难性的坍缩，也就是超新星爆发。

极度膨胀的巨星

前面我们已经了解到参宿四的半径达到了惊人的900倍太阳直径。其实，这只是它最近几万年以来的样子。那么它的体积为什么会膨胀得这么大呢？

原来，在参宿四刚诞生到大约100万年前，参宿四内部有着充足的氢元素。它可以持续稳定地进行氢元素的核聚变。这个时期就是参宿四的主序星阶段，也就是它的盛年时期。这期间的参宿四持续稳定的核聚变产生了大量的热量，由此产生向外扩张的热辐射压力与恒星自身的引力达到了长期平衡，从而让恒星稳定的存在。

但是参宿四的质量实在太大了，它在短短的700多万年内就耗尽了核心处的氢元素，继而开启了氦元素的核聚变。当氦聚变被启动时，它内部的温度能达到1.8亿℃，几乎是氢聚变时温度的5倍。这也就意味着在参宿四的内部产生了一颗温度更高的“新恒星”。它所产生的热辐射压力可以超过整个恒星自身的引力，把参宿四外层的物质推到了更远的空间。随着外层物质的不断扩散，它的表面温度也在不断下降，于是参宿四变成了一颗红巨星。参宿四质量巨大，即使温度降低后仍旧有很高的光度，因而它是一颗红超巨星而非红巨星。

假如参宿四的周围有一颗行星，此时就会葬身火海之中。氦聚变启动的66万年后，氦元素消耗殆尽，碳聚变开启。此时参宿四内部的温度将会高达7.2亿℃。而随着外层物质的不断扩散，参宿四会损失很大一部分质量，它的引力逐渐被削弱。而碳聚变极端的高温所产生的极大热辐射压与日渐削弱的自身引力形成了强烈的反差，会导致参宿四的进一步膨胀。

参宿四为什么会爆炸？

极度膨胀的参宿四就像是一个被不断充气鼓起来的气球，终究有一天会被“吹破”的！也就是说参宿四最终会发生爆炸。那么参宿四为什么会发生爆炸呢？

一旦铁元素在参宿四的内部产生时，它就时日无多了。铁元素在核聚变的过程中所消耗的能量要比它释放的能量多，所以中心的铁核不会发生核聚变。随着参宿四核心处核聚变的减少，它所产生的向外热辐射压力也会减少，核心的收缩加剧。参宿四的核心会进一步收缩，温度再次升高。在硅元素聚变成铁元素的阶段，恒星中心的温度可高达34亿℃，中心密度达到了惊人的110吨/厘米³。

在如此高的温度和压力下，铁原子核会吸收周围四处乱撞的自由电子。这些电子也是支撑核心的一种力量。如果没有它们向外的推力，参宿四的核心就不能抵抗引力。而且此时参宿四的核心引力大得不可思议，周围的粒子坠向核心的速度接近光速。在不到1秒钟的时间内，参宿四的核心直径就从几百公里缩小到了几十公里，并产生了极高的热量和向外扩散的冲击波。冲击波与正在急速坠落的外围物质发生猛烈撞击，并让它们减速。这个过程中释放出了无数的中微子。这些中微子在瞬间释放的能量相当于太阳一生所释放能量的100多倍。就这样参宿四的核心发生了爆炸。

当中微子从核心处向外爆发时，它们会猛烈的撞击正在急速坠落的参宿四外层物质。这些物质会立刻改变方向，并以十分之一光度的速度被抛向了太空。参宿四的外层物质被猛烈地爆炸抛向外太空，形成了一片美丽的星云，犹如宇宙烟火般绚丽多彩。在星云的内部一颗直径只有20~30公里的中子星在高速旋转着。它是参宿四爆炸后残留的核心形成的。

参宿四何时爆炸？

人们发现，参宿四的亮度会经常发生变化。尤其是2019年的时候，参宿四的亮度突然降低了60%。于是有人推测参宿四已经发生了爆炸，只是爆炸产生的光还没有抵达地球而已。不过后来天文学家利用欧洲南方天文台的甚大望远镜研究发现。这只是参宿四向太空中喷射了大量的物质。它们在冷却后挡住了参宿四的光线。当这些物质尘埃散去后，参宿四的亮度又恢复了。

那么参宿四何时会发生爆炸呢？目前天文学家的研究表明，参宿四正处于氦聚变阶段。前面我们提到过，像参宿四这样的大质量恒星，其核心处的氦聚变会持续几十万年的时间。因此，我们经常看到的说法，参宿四“即将”发生爆炸中的“即将”至少也是10万年以后的事情了。

参宿四爆炸对地球的影响

在未来的某一天，我们也许会发现天上的参宿四突然变亮，发出耀眼的光芒。在之后的几周时间内，它将比晚上的满月还要亮。甚至在白天也能看到它的身影。那么参宿四超新星爆发后会不会对地球上的我们造成影响呢？答案是参宿四的爆炸不会对我们造成任何影响。那天文学家为什么会得出这样的结论呢？

首先，超新星爆发时产生的大部分能量都会被中微子带走。中微子几乎不会和任何物质发生相作用。也就是说几乎所有的中微子都可以径直穿过地球，不会对我们造成任何威胁。

其次，超新星爆发时产生的伽马射线喷流是会对地球造成威胁的。但前提是这些伽马射线喷流得对准地球。一般情况下超新星爆发所产生的伽马射线喷流是沿着死亡恒星自转轴方向喷出的。幸运的是，参宿四的自转轴没有指向地球。因此，它在爆炸后所产生的伽马射线喷流不会射向地球。

最后，地球与参宿四保持着安全距离。虽然根据不同的模型计算得出的参宿四到地球的距离从550光年到724光年不等，但都在500光年以外。那假如参宿四爆炸时所产生的伽马射线喷流对准了地球会对我们造成威胁吗？

根据天文学家的估算，参宿四爆炸后所产生的伽马射线喷流的总能量为1×10^44焦耳。这相当于太阳在83亿年内释放出的能量总和，几乎相当于太阳一生释放的能量总和了。不过，参宿四的伽马射线喷流不是一次性释放出来的，而是会持续数周到数月的时间。并且伽马射线喷流呈圆锥形，也就是说它传播的越远，束流的横截面积就越大，伽马射线的功率就会越小。

假设参宿四爆炸时所产生的伽马射线喷流持续时间为20天，距离地球500光年，那么当它抵达地球时，单位面积的伽马射线功率已经降为148瓦/米²了，也就只有地球接收到的单位面积的太阳辐射功率的十分之一左右了。很显然它们不会对我们造成什么威胁了。并且，地球的大气层还会帮我们拦截大部分射向地球的伽马射线。

因而，当参宿四发生爆炸时我们大可不必担心。可如果参宿四到地球的距离在50光年以内的话，那可就危险了。好在太阳系的周围没有一颗即将死亡的大质量恒星。生活在地球上的我们真的是太幸运了。大家说是不是这样呢？

文中天文数据参考资料：《宇宙全书——国家地理新视觉指南》、《宇宙视觉史——信息全图透视宇宙大历史》、《宇宙奥德赛——穿越银河系》等，仅供参考。