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8月5日，国际科学期刊《自然通讯》在线发表了中国科学院国家天文台赵刚（通讯作者）研究团队的一项新成果。 他们与山东大学和密苏里大学的天文学家合作，分析了从山东大学威海天文台获得的高分辨率近红外光谱，揭示了红超巨星参宿四的神秘变暗是由其表面的恒星巨型太阳黑子引起的，并对这一现象提出了新的物理解释，一直受到天文学家和公众的广泛关注[1]。

注：图片引自光明日报《中国科学家揭开红超巨星参宿四致暗之谜》

参宿四，也被称为 Alpha Orionis，是位于猎户座肩部的一颗红色恒星。 在夜空中格外明亮，肉眼清晰可见。 2019 年 10 月至 2020 年 3 月，参宿四经历了一次神秘的变暗，引起了全世界天文学家和公众的关注和想象。 作为一颗表现出周期性、有时不规则光度变化的变星，这是近 50 年来观测到的参宿四最显着的变暗。 它变暗了大约一个星等（亮度降低了 2.5 倍），在夜空中肉眼可见 [1]。 参宿四是演化后期的恒星光纤 光谱仪，处于红超巨星阶段。 它会在 10 万年内随时爆炸成超新星，坍缩成中子星或黑洞。 世界各地的天文学家对明显变暗提出了几种可能的解释，例如演化的超新星前阶段、尘埃云的遮蔽或恒星光球层亮度的变化。

参宿四是夜空中近红外波段最亮的恒星，因此近红外波段是研究参宿四这样的红巨星最合适的观测波长。 研究人员使用高分辨率光纤光谱仪获得了参宿四变暗过程的高分辨率近红外光谱。 在进行光谱分析时，研究人员根据光谱中TiO和CN分子谱线的测量，开发了一种特殊的方法，最终确定参宿四的有效温度在整个过程中下降了170K，170K的有效温度变化为足以解释这种神秘的调光现象（图2）。 赵刚研究员说：“我们的发现将有助于更好地了解红超巨星的性质，红超巨星也是宇宙中重元素富集的主要贡献者[1,2]。

图2 含巨太阳黑子的星体表面及四个观测时间的窄带光谱（7705-7811℃）及对应的最佳温度Teff拟合示意图。 温度升高可以用巨型太阳黑子表面积的减少来解释。 相对通量定义为特定波长下的通量 (Fλ) 与连续介质中的通量 (Fc) 之比。 图中观察到的光谱是棕色的点； 理论谱为黑色实线，根据恒星参数（有效温度Teff、表面重力log g、元素丰度[Fe/H]、微观湍流速度Vmic）计算得到，与仪器剖面图卷积得到。 TiO（氧化钛）分子线在每个子图上用垂直线标记。 a) 2020年1月31日，当一个温度为3306K的巨型太阳黑子占据有效温度为3646K的恒星表面积的50%时光纤 光谱仪，恒星的整体温度为3476K。 同样b)、c)、d)分别在2020年3月19日、2020年4月4日、2020年4月6日，巨型太阳黑子面积逐渐减少到33%、10%、0%。 恒星的温升分别为3534 K、3611 K、3646 K。（图片来自Sofya Alexeeva et al. 2021【5】）

高分辨率光纤光谱仪是南京天文光学技术研究所为山东大学威海天文台研制的我国第一台用于天文观测的高分辨率光纤光谱仪。 2011年1月6日顺利通过专家组验收。仪器配置在山东大学威海天文台1米望远镜上。 光谱仪光学系统采用白瞳设计，光束直径92.5mm。 仪器配备良好的恒温隔震系统，通过光纤导引与望远镜的卡焦接口相连，配备平场定标、波长定标、碘蒸气箱定标装置和独立的导星系统。 该光谱仪一次曝光可覆盖371nm-1100nm的波长范围，光谱分辨率为40000-60000【3,4】。 图 3 为光谱仪实物图 [6] 和拍摄得到的参宿四原始光谱图。

图3 左：威海高分辨光纤光栅光谱仪； 右：光谱仪拍摄的参宿四原始光谱图像。

相关链接：

【1】光明日报客户端——中国科学家揭开红超巨星参宿四黑暗之谜

【2】央视视听客户端-中国科学家揭开红超巨星参宿四黑暗之谜

[3]中科院讯——我国首台高分辨率天文观测光纤光谱仪通过验收

【4】中科院南京分院网站消息——我国首台天文高分辨率光纤光谱仪顺利通过验收

【5】Alexeeva, S., Zhao, G., Gao, DY. 等。 变暗的参宿四上有一个大斑点的光谱证据。 Nat Commun12, 4719 (2021)。

【6】Gao, D.-Y., Ji, H.-X., Cao C. 等。 WES——威海阶梯光栅光谱仪。 民众。 ASP128, 125002 (2016)。