恒星收缩与膨胀也会让它一闪一闪

在过去的几个月里，猎户座参宿四触动了许多天文学家和爱好者的心。它的亮度曾一度暗至有记录以来的最低水平，所以许多人猜测它会立即爆炸成超新星。

然而，大多数天文学家认为参宿四的突然变暗并不是因为它即将爆发的超新星。关于变暗的原因，意见不一，其中一个可能的原因是恒星在脉动——即收缩和膨胀。恒星的脉动会改变恒星的亮度。

最近，一个研究小组假设参宿四在脉动时在超新星中爆炸，并计算了脉动对超新星亮度的影响——当脉动时，收缩区发出的光变暗，膨胀区发出的光变亮。

作为一颗红色的超级巨星，参宿四的半径确实在不断变化，导致它的亮度一次又一次变得越来越亮越来越暗。那么，恒星脉动的原因是什么？脉动恒星对天文学研究的重要性是什么？它们都会爆炸成超新星吗？

反复膨胀和收缩

恒星的大部分生命都依赖内部氢融合为氦过程提供能量。聚变产生的能量产生向外的辐射压力，而恒星自身的重力是向内的，这两种力保持平衡，使恒星保持一定的大小。氢聚变的产物是氦。当恒星中积累了足够多的氦，温度达到1亿开尔文时，核心中的氦融合，恒星开始膨胀成为红巨星或红巨星。

红色超级巨星的半径可以达到太阳半径的数百甚至数千倍。内部物质对表面物质的吸引力相对较弱。表面大气的翻滚变化将改变恒星的半径并形成脉动。参宿四的脉动就属于这一类。

质量是太阳质量0.5倍的恒星将首先膨胀成红巨星，然后在进入氦燃烧阶段后变黄。质量是太阳几倍或十倍以上的恒星在进入氦燃烧的某个阶段时也会变成黄色，成为黄色巨星或黄色超级巨星。这两种恒星中的一些会产生周期性脉动。脉动的根本原因是恒星大气中的氦。

氦有两个电子。当恒星大气中某一区域的温度达到大约30，000开尔文时，氦的电子就会被电离。当恒星收缩时，内部温度上升。当温度达到40，000开尔文时，氦的另一个电子被电离。*电子的增加导致恒星大气的不透明度增加，更多的俘获辐射，更多的累积能量和恒星膨胀。膨胀将导致冷却，两个电子中的一个重新结合，恒星大气的不透明度降低，捕获的辐射减少，恒星收缩。收缩将导致温度上升，电子将再次电离，导致上述过程来回循环，恒星将反复膨胀和收缩。

这种脉动导致恒星的亮度周期性变化。那些质量是太阳0.5倍的恒星在脉动时成为天琴座RR型变星，而质量是太阳几倍或十倍以上的黄色巨星或黄色超级巨星在脉动时成为造父变星。

质量接近太阳质量100倍的恒星也会产生脉动。这些恒星的核心融合成氧后，氧融合产生的光子能量太高，光子能量成对地转化成电子和正电子对，而正电子对成对地转化成中微子和反中微子对。中微子对很容易从恒星中逃逸，恒星的压力会减小和收缩。收缩导致氧核的温度进一步升高，上述过程变得更加剧烈，形成一个循环。氧核产生的能量迅速释放，导致恒星膨胀，抛出恒星外层的部分物质。这种脉动爆发发生多次，因此被称为“脉冲不稳定”

用周期-光度关系测量星系距离

恒星脉动在天文学中有重要的应用。在亮度变化周期和最大亮度之间有一个明确的关系，即周期-亮度关系。只要确定了某些这类变量的精确距离，就可以通过周期-光度关系确定同类其它变量的距离。天文学家利用造父变星的周期光度关系，测量了银河系、仙女座星系和许多其他星系中造父变星的距离，从而确定了银河系的形状和太阳在银河系中的位置，证明仙女座星系是银河系之外的一个星系，并发现宇宙正在膨胀。

质量小于8个太阳质量的天琴座RR变星和造父变星不会成为超新星，因为它们的质量太小。类似参宿四和造父变星的质量超过8个太阳质量的红色超级巨星将爆炸成超新星。质量接近太阳质量100倍的恒星在经历几次脉动爆发后，最终会爆炸成超新星或直接坍缩成黑洞。天文学家从哈勃太空望远镜的照片档案中发现了一些超新星前的图像，证明了一些超新星是由红色超级巨星的爆炸引起的，而一些超新星是由黄色超级巨星的爆炸直接引起的。这意味着造父变星可能直接爆发成超新星。

应该注意的是，当恒星成为天琴座或造父变星时，它们并不总是处于这种可变状态，而是在某个阶段停止脉动，进化成其他类型的恒星。尽管大质量的造父变星可能会直接喷发成超新星，但在脉动结束后，它们会更频繁地喷发成超新星。