我们已知的最大恒星未来会怎样演化？

我们通常认为夜空中的星星在我们眼中是静止的、不变的。当然，也有一些变星会变亮或变暗，但大多数变星都会周期性地、有规律地变亮或变暗，只有少数例外。最突出的例外之一是参宿四，它是一颗红超巨星，构成了猎户座的“肩膀”之一。在过去五年里，它不仅亮度波动，而且在 2019 年末和 2020 年初变暗，随后在 2023 年又出现了奇怪的变亮，这表明它的变化方式是人类从未见过的。

参宿四通常是我们天空中第十亮的恒星，但在 2020 年最暗的时候跌出了前 20 名，并在 2023 年升至第七亮。作为一颗红超巨星，它经历核心坍缩，成为超新星只是时间问题，尽管没有人知道如何预测何时会发生这种情况。但我们中的许多人，包括许多专业和业余天文学家都希望目睹自 1604 年以来我们银河系中第一颗肉眼可见的超新星爆发。虽然它不会对我们构成危险，但它将是壮观的。以下是我们将能够从地球上观察到的景象。

这个红超巨星表面的模拟图被加速，在短短几秒钟内展示了整整一年的演化过程，展示了“正常”红超巨星在相对平静的时期如何演化，其内部过程没有明显变化。其表面的巨大和脆弱外层的波动导致其在短暂但不规则的时间尺度上出现巨大变化。

参宿四的体型巨大，形状不规则，且表面温度不均匀。它距离我们约 640 光年，温度比我们的太阳低 2,000 摄氏度以上，但体积却大得多，半径约为我们太阳的 900 倍，体积约为我们太阳的 700,000,000 倍。如果用参宿四代替我们的太阳，它将吞噬水星、金星、地球、火星、小行星带，甚至木星！

参宿四周围也存在着巨大的辐射，这些辐射来自过去几万年中被吹散的物质，物质和气体的延伸范围比海王星绕太阳的轨道还要远。随着时间的推移，随着不可避免的超新星演化的临近，参宿四将失去更多质量，继续膨胀，混乱地变暗变亮，并逐渐燃烧其核心中更重的元素。

围绕参宿四形成的喷出物质星云，内部红色圆圈内显示为比例尺。这种结构类似于恒星发出的火焰，形成原因是这颗庞然大物正在向太空中喷洒物质。延伸的排放超出了海王星绕太阳轨道的等效范围。从统计学上讲，参宿四已经爆炸的概率约为 1/4000，我们只是在等待它的光抵达地球。

即使当恒星核心过渡到更高级的生命阶段，从碳燃烧到氖和氧，最后到硅聚变，我们也无法直接观察到这些事件的任何特征。核心聚变和能量输出的速率将发生变化，但我们对恒星光球层和色球层（我们能观察到的部分）的影响了解甚少，因此无法做出具体的预测。核心产生的中微子的能谱（我们知道会发生变化的可观测能谱）只会在硅燃烧阶段变得重要，即便如此，我们也最多只有几天的时间来预测最终的超新星爆发。

但在恒星演化过程中的某个关键时刻，内核的硅燃烧将达到完成状态，参宿四内部深处的辐射压力将急剧下降。由于这种压力是阻止恒星发生引力坍缩的唯一因素，由铁、钴和镍等元素组成的内核将开始内爆。

艺术家绘制的插图（左）是一颗大质量恒星内部的最终阶段，即超新星爆发前的阶段，硅燃烧阶段。（硅燃烧阶段是铁、镍和钴在核心中形成的过程。）钱德拉望远镜拍摄的仙后座 A 超新星遗迹照片（右）显示了铁（蓝色）、硫（绿色）和镁（红色）等元素。预计参宿四将遵循与之前观测到的核心坍缩超新星非常相似的路径。

很难想象这种现象的规模：一个质量总计约为 20 个太阳的物体，分布在木星轨道的体积内，其内核与太阳相当（甚至比太阳还要大），突然开始迅速坍缩。尽管引力把一切都拉向自身，但它被内部核聚变产生的辐射压力所抵消。现在，核聚变（以及向外的压力）突然消失，坍缩不受抑制地进行着。

最内层的原子核——由铁、镍、钴和其他类似元素组成的致密集合被强力挤压在一起，融合成一个巨大的中子球。它们上面的层也会坍缩，但会反弹到核心中致密的原中子星上，从而引发令人难以置信的核聚变爆发。随着层堆积起来，它们会反弹，产生聚变波、辐射波和压力波，这些波会在整个恒星中传播。

在经历核心坍缩超新星的恒星内部，中子星开始在核心中形成，而外层则与之碰撞并发生自身的失控聚变反应。产生中子、中微子、辐射和大量能量，中微子和反中微子带走了核心坍缩超新星的大部分能量。残余物最终会变成中子星还是黑洞，取决于在此过程中核心中剩余的质量。

这些聚变反应发生在极短的时间内，仅约 10 秒，绝大多数能量以中微子的形式带走，中微子几乎不与物质相互作用。其余携带能量的粒子，包括中子、原子核、电子和光子，即使被赋予了巨大的能量，也必须将其能量级联并传播到恒星的整个外层。

因此，中微子成为第一个逃逸的信号，也是第一个到达地球的信号。超新星爆发赋予这些粒子的能量为大约每量子能量10-50 MeV，中微子将以与光速无法区分的速度移动。无论超新星爆发何时发生（或已经发生过，可能是 14 世纪以后的任何时候），中微子都会首先到达地球。

中微子事件可通过探测器壁上光电倍增管中出现的切伦科夫辐射环来识别，展示了中微子天文学的成功方法。这张图片展示了多个事件，是一系列实验的一部分，这些实验为我们更好地了解中微子铺平了道路。1987 年探测到的中微子标志着中微子天文学的开端，也标志着核子衰变实验更名为中微子探测器实验。

1987 年，一颗距离地球 168,000 光年的超新星在当时运行的三台小型中微子探测器上产生了一个由 20 多个中微子组成的信号。如今，有许多不同的中微子观测站正在运行，它们比我们 37 年前的观测站要大得多，灵敏度也高得多，而距离地球仅 640 光年的参宿四由于距离地球很近，它发出的信号将比我们以前所探测到的强 70,000 倍。

现在，如果参宿四在 2024 年底爆发成超新星，我们第一个确定的信号将以高能中微子的形式出现，在 10-15 秒的爆发中，淹没世界各地的中微子探测器。这些天文台将同时接收到数百万甚至数千万个中微子。几个小时后，当这场大灾变产生的第一批能量波到达恒星外层时，光子的“爆发”将到达我们。一个快速的峰值，将极大地增加参宿四的光学亮度。

2011 年，遥远星系中的一颗恒星恰好位于 NASA 开普勒任务的视野范围内，它自发地、偶然地变成了超新星。这是首次在从普通恒星转变为超新星的过程中捕捉到超新星，令人惊讶的“爆发”暂时使恒星的亮度比之前增加了约 7,000 倍。

突然之间，参宿四的亮度会从之前稳定的值猛增约 7,000 倍。它会从夜空中最亮的恒星之一变成细长的新月亮度——大约是金星的 40 倍。峰值亮度只会持续几分钟，然后再次回落到比之前亮 5 倍左右。

在约 10 天的时间内，参宿四的亮度将逐渐上升，最终变得与满月一样明亮。它的亮度将在大约一小时后超过所有恒星和行星，在三天内达到半月的亮度，并在约 10 天后达到最大亮度。对于全球的天文爱好者来说，参宿四看起来甚至比满月还要亮，因为它的所有亮度不会像满月那样分散在半度以上，而是会集中到一个单独的饱和点上。

如果参宿四在不久的将来变成超新星，猎户座将会是什么样子。这颗恒星的亮度将与满月大致相同，但所有光线将集中到一个点，而不是扩展到覆盖约半度的圆盘上。峰值亮度应在首次爆炸后约两周达到。

作为 II 型超新星，爆炸的参宿四发出的光将在相当长的一段时间内保持明亮，尽管这些超新星类型的亮度变化很大，但它们的亮度变化以及长时间内亮度的保持时间也各不相同。（当下一次这样的事件发生在我们的星系中时，它将让我们了解到大量有关其前身恒星和它产生的超新星爆炸之间的关系的信息！）超新星在达到最大亮度后，将在大约一个月的时间内慢慢开始变暗，30 天后变得像半月一样暗。

然而，在接下来的两个月里，它的亮度将达到稳定状态，只有专业仪器和天文摄影师才能检测到微小的变暗；一般人眼在这段时间内无法辨别亮度的变化。然而，在那之后，亮度将在爆炸后的下一个（第四个月）突然急剧下降。到那时，它的亮度将恢复到仅比金星亮一点。最后，在接下来的一两年里，它将逐渐消失，只有通过望远镜才能看到超新星遗迹。

II 型超新星在不同的子类型和单个事件之间有所不同，但遵循相同的一般曲线，上升持续约 10 天，短暂下降持续一个月，稳定期持续两个月，急剧下降持续一个月，然后逐渐消退持续一年或更长时间。

在亮度达到峰值时，参宿四的亮度将相当于 100 亿个太阳聚在一起的亮度；几年后，它将变得太暗，人眼无法看到。这颗超新星在最初三个月左右保持如此明亮的原因甚至不是来自爆炸本身，而是来自放射性衰变（例如来自钴）和超新星遗迹中膨胀气体的结合。

在最初三个月左右的时间里，参宿四将非常明亮，白天和晚上都清晰可见；只有在第四个月左右之后，它才会变成一个只在夜间可见的物体。当它开始逐渐变暗，再次看起来像一颗普通恒星时，其延伸结构应该在未来几十年、几个世纪甚至几千年内都能通过望远镜被照亮。它将成为有记录以来距离最近的超新星遗迹，并将在未来几代人中继续成为壮观的景象（和天文研究对象）。

这张图片展示了 SN 1987A 超新星遗迹在六种不同波长下的状况。尽管这次爆炸已经发生 37 年了，尽管它就在我们自己的后院，但中央引擎周围的物质还没有清除到足以暴露恒星遗迹的程度。相比之下，类似牛的物体（也称为快速蓝光瞬变）的核心几乎立即暴露出来。

无论如何，参宿四（或类似的近距离红超巨星）最终都将迎来超新星爆发。它将成为人类历史上目睹最多的天文事件，地球上几乎所有居民都能看到。第一个到达的信号根本不是视觉信号，而是以中微子的形式出现，这是一种通常难以捉摸的粒子，数以百万计的粒子将淹没我们的地面探测器。

此后几个小时，光线将首先以峰值形式到达，然后在一周多的时间内逐渐变亮，在接下来的几个月内分阶段减弱，然后在几年内逐渐减弱。残留物由被照亮了数千年的气态外层组成，它将在未来的几个世纪中继续为我们的后代所观测。我们不知道这场演出什么时候开始，但至少我们知道当它真正发生时该寻找什么和期待什么！