参宿四是一颗位于猎户座的巨大红超巨星，构成了著名猎人的肩膀。尽管这颗恒星几个世纪以来一直令天文学家着迷，但在2019年底和2020年初，当它的亮度意外骤降至100多年来的最低记录水平时，它引起了全世界的关注。这一事件被称为“大变暗”，引发了人们对这颗老化恒星内部究竟发生了什么的疑问。
如今，来自美国国家科学基金会卡尔·G·扬斯基甚大天线阵（NSF VLA）和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的观测表明，参宿四庞大的外层大气已在很大程度上恢复正常。更有趣的是，这些测量提供了新的证据，表明一颗附近的伴星正在物理上扰动这颗巨星的天气。
这项研究由麻省理工学院海斯塔克天文台首席研究科学家兼助理主任林恩·D·马修斯（Lynn D. Matthews）博士领导，与天体物理学中心 | 哈佛-史密森天体物理中心、曼彻斯特大学和欧洲南方天文台的科学家合作完成。研究团队分析了2021年至2026年间在从22 GHz到485 GHz的七个射电频率上收集的观测数据。
不同的射电频率使天文学家能够探测恒星大气内不同深度。通过结合两台望远镜的观测数据，研究人员重建了参宿四外层的结构，从其可见表面之上开始，向外延伸至其半径的数倍。
“正是NSF VLA和ALMA的惊人数据组合让我们在这里得到了令人信服的结果，”马修斯说。“我们能够利用这些设施实际分辨出附近恒星的盘面，这非常了不起。”
参宿四从神秘的大变暗中恢复
最新的测量还有助于科学家了解参宿四自那次非凡的变暗事件以来的变化。在大变暗发生前几个月（当时参宿四喷射了数十亿吨太阳物质，部分遮挡了我们的视线），马修斯领导的一项早期研究在射电波段探测到该恒星大气温度异常偏低。
当时，研究人员认为参宿四深处的湍流对流可能产生了一个向外传播并扰动周围气体的激波。这种扰动可能帮助触发了后来形成尘埃并遮挡了该恒星部分光线的巨量物质释放。
新的观测表明，大气此后已升温至参宿四更为典型的温度。在距离该恒星半径约2.7倍处，气体目前的测量亮温度约为3,500开尔文（与参宿四自身的表面温度相当）。
天文学家发现意外寒冷的大气层
研究人员还证实了科学家多年来怀疑存在的一个特征：在参宿四的可见表面与其更高层大气（即色球层）之间存在一片异常低温的气体区域。
利用ALMA最高观测频率，研究团队能够比以往的射电测量更深入地探测该恒星表面附近。结果揭示了温度降至约2,200开尔文，比可见表面（即光球层）的温度低1,000多度。
这一寒冷区域对应于"MOLsphere"（分子层），这是一个含有分子气体的层，天文学家此前主要通过红外观测识别它。新的射电测量对参宿四大气的这一难以捉摸的部分提供了更为直接的检验，并证实了长期被怀疑存在的“温度极小值”。
一颗隐藏的伴星可能在扭曲参宿四
最引人入胜的发现之一涉及Siwarha，这颗被认为在极其靠近参宿四的位置运行的小恒星。天文学家于2024年首次提出这颗伴星的存在，作为参宿四亮度大约每2,100天变化一次这一令人费解的周期的可能解释。随后的直接成像和光谱观测为该伴星的存在提供了更多支持。
Siwarha这个名字反映了它与参宿四的关系。这颗巨星的名字来自阿拉伯语，意为“猎户之手”，而Siwarha则意为“她的手镯”。
与远离其宿主运行的行星或恒星不同，Siwarha被认为沿着一条直接穿过参宿四延伸大气的轨道运行。其估计轨道距离仅为这颗红超巨星半径的约两倍。
“这颗伴星的轨道离恒星如此之近，以至于它实际上会穿过其延伸大气，”马修斯解释道。
当Siwarha沿轨道运行时，它可能会像快艇破水前行那样推开周围的气体。由此产生的尾流可能会扰动大气，产生天文学家能够探测到的变化，即使这颗较小的恒星本身在射电观测中仍然不可见。
事实上，研究人员计算得出，Siwarha可能比他们收集的射电测量能够直接探测到的亮度极限暗数十到数百倍。因此，他们转而通过研究参宿四大气的形状来寻找其存在的间接证据。
参宿四不断变化的形状揭示新线索
科学家们发现，参宿四在射电波段并不总是显得完美的圆形。它的大气有时会呈现出略微拉伸的椭圆形外观，而这些变化的时间似乎与Siwarha的预期位置相吻合。
为了研究这种关联，研究团队在不同时间拍摄的观测中测量了大气偏离圆形的程度（“椭圆率”）。
他们发现，当Siwarha预计处于与这颗巨星最大视分离位置时，参宿四往往看起来更 elongated（拉长）。当预测伴星从我们的视角穿过参宿四前方或后方时，大气则显得更圆。
这种关系提供了有力的证据，表明这颗较小的恒星可能通过引力及其穿过气体的物理运动影响着参宿四外层的形状。
这种效果就像注意到池塘中扩散的涟漪却看不到是什么引起的一样。尽管Siwarha在射电波段仍然太暗而无法直接识别，但参宿四大气不断变化的形状可能揭示它围绕这颗较大恒星的运动。
未来的观测可能揭示更多关于参宿四的信息
尽管结果前景可期，天文学家强调仍需要更多观测来确认Siwarha轨道与大气扭曲之间的联系。覆盖伴星轨道周期更多部分的测量，特别是在尚未得到广泛研究的射电频率上的测量，可以帮助确定这颗较小的恒星对参宿四的影响有多强。
更先进的仪器最终可能提供更JianCe的图像。目前正在开发中的下一代甚大天线阵有望使对附近恒星及其大气的详细研究变得更加容易。
此类观测不仅可以揭示伴星如何影响其巨大的邻居，还可以揭示老化的红超巨星在接近生命最后阶段时如何失去物质。理解这些相互作用可能有助于天文学家更好地解释塑造参宿四这类巨大恒星演化的复杂过程。
研究结果发表在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上，论文题为“来自VLA和ALMA的参宿四新的空间分辨观测：近距离伴星对大气扰动的证据”。