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高分辨率光纤光谱仪揭开红超巨星神秘面纱

2021.8.12

　　8月5日，国际科学期刊《自然·通讯》在线发布了中国科学院国家天文台赵刚(通讯作者）研究团队的一项最新成果。他们与山东大学和美国密苏里大学的天文学家合作，对从山东大学威海天文台获得的高分辨率近红外光谱进行分析，揭示红超巨星参宿四的神秘变暗是由于其表面出现恒星巨黑子造成，对这一广受天文学家和公众关注的现象提出了新的物理解释。

　　“中国科学家揭开红超巨星参宿四致暗之谜”

　　参宿四又称为猎户座α星，是一颗位于猎户座肩部的红色恒星，它在夜空中异常明亮，肉眼清晰可见。2019年10月至2020年3月之间，参宿四出现了神秘的变暗现象，吸引了全世界天文学家和公众的关注与想象。作为一颗呈现周期性和有时不规则光度变化的变星，这是参宿四近50年来被观测到的最显著的一次变暗现象。它变暗了约一个星等（亮度减弱2.5倍），在夜空中肉眼可辨。参宿四是演化后期的恒星，正处于红超巨星阶段，它将在10万年内随时发生超新星爆发，塌缩为中子星或黑洞。对于此次的显著变暗现象，世界各地的天文学家提出几种可能的解释，如超新星爆发前演化阶段、尘埃云的遮挡或恒星光球亮度的变化。

　　参宿四是夜空中在近红外波段最亮的恒星，因此近红外波段是研究参宿四这类红巨星最合适的观测波长。研究人员利用高分辨率光纤光谱仪获取了参宿四变暗过程的高分辨率近红外光谱。进行光谱分析时，研究人员开发了一种基于对光谱中TiO和CN分子线测量的特殊的方法，最终确定参宿四的有效温度在整个过程中下降170K，而这170K的有效温度变化足以解释这种神秘的变暗现象（如图2）。赵刚研究员表示：“我们的发现将有助于更好理解红超巨星的性质，红超巨星也是宇宙中重元素增丰的主要贡献者。

　　图 2 含有巨黑子的恒星表面示意图和四个观测时刻的窄波段光谱（7705-7811 ？）以及相应的最佳温度Teff拟合。温度的升高可通过巨黑子表面积的减小来解释。相对流量被定义为特定波长处的流量 (Fλ) 与连续谱中的流量 (Fc) 的之比。图中观测光谱为棕色点；理论光谱为黑色实线，是根据恒星参数（有效温度Teff、表面重力log g、元素丰度[Fe/H]、微观湍流速度Vmic）计算并与仪器轮廓卷积得到。TiO（氧化钛）分子线在每个子图上用垂直线标记。a）在2020年1月31日，一个温度为3306 K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，巨黑子面积逐渐较小为33%、10%、0%，整颗恒星的温度升高为3534 K、3611 K、3646 K。

　　该高分辨率光纤光谱仪是南京天文光学技术研究所为山东大学威海天文台研制的中国首台天文观测高分辨率光纤光谱仪，并于2011年1月6日通过专家组的顺利验收，该仪器配置在山东大学威海天文台的1米望远镜上。光谱仪光学系统采用白瞳设计，光束口径92.5mm。仪器设有良好的恒温、隔震系统，由光纤引导连接到望远镜的卡焦接口，并配备有平场定标，波长定标及碘蒸汽盒定标装置和独立的导星系统。光谱仪一次曝光可覆盖波长范围为371nm-1100 nm,光谱分辨率为40000~60000。图3 展示的为光谱仪实物图和拍摄所得参宿四原始光谱图像。