天文學(xué)家對(duì)準(zhǔn)參宿四按下上萬(wàn)次快門，發(fā)現(xiàn)了不得了的事情

最近參宿四又上新聞了，但不是爆炸，也不是亮度異常，而是發(fā)現(xiàn)這顆已走進(jìn)演化末期的大質(zhì)量恒星似乎有一個(gè)不為人知的小伙伴！長(zhǎng)期以來(lái)天文學(xué)家普遍認(rèn)為參宿四孑然一身，獨(dú)來(lái)獨(dú)往，但一篇即將在《天體物理學(xué)報(bào)通信》（ApJL）發(fā)表的論文[1]中，由Steve B. Howell領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)表示他們確實(shí)找到了參宿四可能有一顆伴星的直接證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)參宿四伴星的研究論文︱參考文獻(xiàn)[1]

作為全天最亮的21顆恒星之一，參宿四自古以來(lái)就吸引著全世界人類的目光，它也是除太陽(yáng)以外歷史上第一顆被測(cè)量出確切直徑的恒星。有如此高的關(guān)注度，為何參宿四這顆伴星一直不見蹤影呢？為何現(xiàn)在人類又能找到這顆隱藏多時(shí)的天體呢？

這就要提到本次發(fā)現(xiàn)中研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用的一種能夠榨干望遠(yuǎn)鏡理論分辨能力的成像技術(shù)。

參宿四位于獵戶座︱International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA

分辨率可以說(shuō)是觀測(cè)天文學(xué)家的一生之?dāng)常?dāng)年伽利略因?yàn)樽灾仆h(yuǎn)鏡分辨率不夠高不僅錯(cuò)失了土星環(huán)的發(fā)現(xiàn)，還誤將土星環(huán)當(dāng)成了土星的兩顆衛(wèi)星。隨著望遠(yuǎn)鏡制造技術(shù)的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷擴(kuò)大，理論分辨率是夠用了，這時(shí)候輪到地球大氣跳出來(lái)刷存在感——大氣湍流會(huì)引起大氣抖動(dòng)，改變星光的傳播路徑，導(dǎo)致星星「一閃一閃」。

閃爍不停的天狼星︱茲基派德

天文學(xué)上以「視寧度」（Astronomy Seeing）表示大氣抖動(dòng)的幅度，可以用點(diǎn)光源因大氣抖動(dòng)形成的光斑直徑衡量，單位為角秒（″）。一般認(rèn)為1″是不錯(cuò)的視寧度，優(yōu)秀天文臺(tái)址的視寧度中位數(shù)大多在1″以下[2]。

青海冷湖天文臺(tái)前期勘測(cè)獲得的視寧度中位數(shù)在0.76″︱參考文獻(xiàn)[2]

1″是1′的1/60，1°的1/3600，看起來(lái)已經(jīng)是一個(gè)很小的值了，但對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)還不夠小。現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡的理論分辨極限已經(jīng)遠(yuǎn)小于視寧度的大小，用我們小學(xué)二年級(jí)就學(xué)過(guò)的望遠(yuǎn)鏡理論分辨本領(lǐng)計(jì)算公式，在可見光波段（取λ=550nm）下，

以口徑8m（D=8000mm）的望遠(yuǎn)鏡為例，其理論分辨率為0.0175″，但在視寧度1″的環(huán)境下，口徑8米的望遠(yuǎn)鏡的真實(shí)分辨率跟口徑15厘米（D=150mm）左右的望遠(yuǎn)鏡不會(huì)有太大區(qū)別（根據(jù)公式計(jì)算得后者的理論分辨率為0.93″）。

8米與15厘米望遠(yuǎn)鏡的口徑比較

如果想要榨干大口徑望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)，就要想辦法減少大氣抖動(dòng)的影響。設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景，你發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處有一個(gè)人的褲腿上寫著字，你想用相機(jī)拍下來(lái)仔細(xì)研究，但這個(gè)人一直在抖腿，有什么辦法可以把褲腿上的字拍清楚呢？?jī)蓚€(gè)思路，一是讓相機(jī)也按同樣的節(jié)奏抖起來(lái)，與褲腿的字保持相對(duì)靜止后拍攝；二是提高相機(jī)快門速度，當(dāng)快門時(shí)間足夠短，抖腿導(dǎo)致的位移足夠小，字也就變清晰了。前者對(duì)應(yīng)到天文觀測(cè)的成像技術(shù)上就是自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics），而后者就是這次做出參宿四伴星發(fā)現(xiàn)使用的斑點(diǎn)成像法（Speckle Imaging）[3]。

自適應(yīng)光學(xué)通過(guò)技術(shù)手段消除大氣抖動(dòng)的影響，從而讓圖像穩(wěn)定︱Wikipedia@acopo Bertolotti

自適應(yīng)光學(xué)旨在讓望遠(yuǎn)鏡跟上星星「抖」的節(jié)奏，可以說(shuō)是門技術(shù)活，相比之下斑點(diǎn)成像就頗有「大力出奇跡」的味道：只要曝光時(shí)間足夠短，就能將大氣的抖動(dòng)「凍結(jié)」，星光也就穩(wěn)定了。斑點(diǎn)成像技術(shù)過(guò)去已經(jīng)在柯伊伯帶天體、多星系統(tǒng)、系外行星等研究領(lǐng)域得到驗(yàn)證[4]，這次研究使用的北雙子望遠(yuǎn)鏡（Gemini North）上搭載了可以進(jìn)行斑點(diǎn)成像的`Alopeke成像儀，在斑點(diǎn)模式下`Alopeke可以用最快10毫秒的快門速度拍攝數(shù)千張圖像，500nm波段下的分辨率高達(dá)0.016″，幾乎等于望遠(yuǎn)鏡的理論衍射極限。

`Alopeke裝置全貌，右下角裝置logo，`Alopeke是夏威夷語(yǔ)「狐貍」之意︱參考文獻(xiàn)[4]

在這臺(tái)「超級(jí)攝影利器」的加持下，天文學(xué)家先后于2020年初和2024年末對(duì)準(zhǔn)參宿四所在天區(qū)，按下上萬(wàn)次快門，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電腦處理后得到參宿四附近空間的精確圖像，從而在觀測(cè)層面找到參宿四可能存在伴星的直接證據(jù)。該研究指出拍攝時(shí)參宿四的伴星距離主星0.052″，合52mas（毫角秒，1mas=0.001″），作為對(duì)比參宿四的直徑約為40mas。

本次發(fā)現(xiàn)使用的是位于夏威夷的北雙子望遠(yuǎn)鏡，口徑8.1米︱International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. Chu

從本次論文的標(biāo)題來(lái)看，研究團(tuán)隊(duì)目前還是相當(dāng)謹(jǐn)慎的：「Probable Detection」，這次發(fā)現(xiàn)的置信度確實(shí)也只有1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。不過(guò)基于圖像聲稱伴星存在的結(jié)論并非草率做出，關(guān)于參宿四存在伴星的想法早在上世紀(jì)80年代就有討論，最近的研究不僅從歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)中尋找伴星的蛛絲馬跡[5]，以此預(yù)測(cè)伴星的質(zhì)量區(qū)間以及軌道半徑，最關(guān)鍵的是結(jié)合參宿四約6年的次要光變周期給出了四個(gè)特殊時(shí)間點(diǎn)[6]：2024年12月6日，2027年11月26日，2030年11月15日，2033年11月4日。

參宿四及伴星的恒星與軌道參數(shù)︱參考文獻(xiàn)[6]

如果伴星存在的話，它與參宿四的角距離會(huì)在這四個(gè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到最大，從而有機(jī)會(huì)通過(guò)直接成像捕捉到。這次研究的其中一次拍攝時(shí)間為2024年12月9日，比預(yù)測(cè)日期晚三天，就捕捉到了疑似伴星的信號(hào)，對(duì)比2020年用同一儀器拍攝時(shí)并沒有出現(xiàn)類似的信號(hào)，很難說(shuō)僅僅是巧合。

`Alopeke相隔4年的兩次參宿四成像，箭頭處為疑似伴星信號(hào)︱參考文獻(xiàn)[1]

論文在討論了高自行前景恒星、背景恒星等其他可能性之余，也呼吁學(xué)界在下一個(gè)日期（2027年11月26日）前后使用有足夠分辨能力的儀器對(duì)參宿四進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)一步揭示問(wèn)題背后的本質(zhì)。

參考&拓展

[1]https://arxiv.org/abs/2507.15749

[2]鄧?yán)畈?楊帆,何飛,等.冷湖賽什騰山光學(xué)天文臺(tái)址勘選結(jié)果及暗夜保護(hù)[J].青海科技, 2022(003):029.

[3]https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=23459

[4]https://arxiv.org/abs/2503.10765

[5]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad93c8

[6]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad87f4

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