高分辨率光纖光譜儀揭開紅超巨星神秘面紗

　　8月5日，國際科學期刊《自然·通訊》在線發布了中國科學院國家天文臺趙剛(通訊作者）研究團隊的一項最新成果。他們與山東大學和美國密蘇里大學的天文學家合作，對從山東大學威海天文臺獲得的高分辨率近紅外光譜進行分析，揭示紅超巨星參宿四的神秘變暗是由于其表面出現恒星巨黑子造成，對這一廣受天文學家和公眾關注的現象提出了新的物理解釋。

　　“中國科學家揭開紅超巨星參宿四致暗之謎”

　　參宿四又稱為獵戶座α星，是一顆位于獵戶座肩部的紅色恒星，它在夜空中異常明亮，肉眼清晰可見。2019年10月至2020年3月之間，參宿四出現了神秘的變暗現象，吸引了全世界天文學家和公眾的關注與想象。作為一顆呈現周期性和有時不規則光度變化的變星，這是參宿四近50年來被觀測到的最顯著的一次變暗現象。它變暗了約一個星等（亮度減弱2.5倍），在夜空中肉眼可辨。參宿四是演化后期的恒星，正處于紅超巨星階段，它將在10萬年內隨時發生超新星爆發，塌縮為中子星或黑洞。對于此次的顯著變暗現象，世界各地的天文學家提出幾種可能的解釋，如超新星爆發前演化階段、塵埃云的遮擋或恒星光球亮度的變化。

　　參宿四是夜空中在近紅外波段最亮的恒星，因此近紅外波段是研究參宿四這類紅巨星最合適的觀測波長。研究人員利用高分辨率光纖光譜儀獲取了參宿四變暗過程的高分辨率近紅外光譜。進行光譜分析時，研究人員開發了一種基于對光譜中TiO和CN分子線測量的特殊的方法，最終確定參宿四的有效溫度在整個過程中下降170K，而這170K的有效溫度變化足以解釋這種神秘的變暗現象（如圖2）。趙剛研究員表示：“我們的發現將有助于更好理解紅超巨星的性質，紅超巨星也是宇宙中重元素增豐的主要貢獻者。

　　 圖 2 含有巨黑子的恒星表面示意圖和四個觀測時刻的窄波段光譜（7705-7811 ？）以及相應的最佳溫度Teff擬合。溫度的升高可通過巨黑子表面積的減小來解釋。相對流量被定義為特定波長處的流量 (Fλ) 與連續譜中的流量 (Fc) 的之比。圖中觀測光譜為棕色點；理論光譜為黑色實線，是根據恒星參數（有效溫度Teff、表面重力log g、元素豐度[Fe/H]、微觀湍流速度Vmic）計算并與儀器輪廓卷積得到。TiO（氧化鈦）分子線在每個子圖上用垂直線標記。a）在2020年1月31日，一個溫度為3306 K的巨黑子占據有效溫度為3646K的恒星表面積的50%時，恒星展現出的整體溫度為3476K。 同樣b）、c）、d) 分別在2020年3月19日、2020年4月4日 、2020年4月6日，巨黑子面積逐漸較小為33%、10%、0%，整顆恒星的溫度升高為3534 K、3611 K、3646 K。

　　該高分辨率光纖光譜儀是南京天文光學技術研究所為山東大學威海天文臺研制的中國首臺天文觀測高分辨率光纖光譜儀，并于2011年1月6日通過專家組的順利驗收，該儀器配置在山東大學威海天文臺的1米望遠鏡上。光譜儀光學系統采用白瞳設計，光束口徑92.5mm。儀器設有良好的恒溫、隔震系統，由光纖引導連接到望遠鏡的卡焦接口，并配備有平場定標，波長定標及碘蒸汽盒定標裝置和獨立的導星系統。光譜儀一次曝光可覆蓋波長范圍為371nm-1100 nm,光譜分辨率為40000~60000。圖3 展示的為光譜儀實物圖和拍攝所得參宿四原始光譜圖像。

　　圖3 左：威海高分辨率光纖光柵光譜儀；右：該光譜儀所拍攝的參宿四原始光譜圖像。