参宿四（Betelgeuse）是位于猎户座的一颗巨大红色超巨星，构成了猎人著名的肩膀。尽管这颗恒星几代来一直令天文学家着迷，但在2019年底至2020年初，其亮度出人意料地暴跌至一个多世纪以来的最低记录，从而吸引了全球的目光。这一被称为“大变暗”（Great Dimming）的事件引发了人们对这颗衰老恒星内部到底发生了什么的种种猜想。
如今，美国国家科学基金会卡尔·G·央斯基甚大天线阵（NSF VLA）和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的最新观测结果显示，参宿四广阔的外层大气已基本恢复正常。更有趣的是，这些测量数据提供了新的证据，表明附近的一颗伴星正在物理上扰动这颗巨星的大气层。
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 Lynn D. Matthews 博士领导，合作者来自哈佛与史密森尼天体物理中心、曼彻斯特大学以及欧洲南方天文台。研究团队分析了2021年至2026年间在22 GHz至485 GHz七个射电频段收集到的观测数据。
不同的射电频率允许天文学家检查恒星大气内的不同深度。通过结合这两个望远镜的观测结果，研究人员重建了参宿四外层结构的图像，其范围从其可见表面正上方一直延伸到其半径的数倍远。
Matthews 表示：“正是 NSF VLA 和 ALMA 提供的不可思议的数据组合，才让我们在这里得到了令人信服的结果。我们能够利用这些设施实际分辨出附近恒星的圆盘，这真是太令人惊叹了。”
参宿四从神秘的“大变暗”中恢复
最新的测量结果还帮助科学家了解了参宿四自那次非凡变暗事件以来所发生的变化。在大变暗发生前几个月（当时参宿四喷射了十亿吨太阳物质，部分阻挡了我们的视线），由 Matthews 领导的一项早期研究在射电波长下检测到了该恒星大气中异常低的温度。
当时，研究人员推测，参宿四内部深处的湍流对流可能产生了一股向外传播并扰乱周围气体的冲击波。这种扰动可能有助于引发后来形成尘埃并遮挡部分恒星光芒的大规模物质释放。
新的观测表明，此后该大气层已回暖至参宿四更典型的温度。在大约2.7倍恒星半径的距离处，气体的测得亮度温度约为3,500开尔文（与参宿四自身的表面温度相当）。
天文学家发现了一个意料之外的冷大气层
研究人员还证实了一个科学家多年来一直怀疑的特征：在参宿四可见表面与称为色球层的更高大气层之间，存在一个异常冷却气体的区域。
利用处于最高观测频率的 ALMA，该团队能够比以往的射电测量更深入地探测恒星表面。结果显示，温度骤降至约2,200开尔文，比可见表面（光球层）的温度低1,000多度。
这个寒冷区域对应于“MOLsphere”（分子层），天文学家此前主要通过红外观测识别出这一含有分子气的层。新的射电测量为参宿四大气层这一难以捉摸的部分提供了更直接的检查，并证实了长期被怀疑的“温度极小值”。
一颗隐秘的伴星可能正在使参宿四变形
最有趣的发现之一涉及 Siwarha，这颗被认为在极靠近参宿四轨道运行的较小恒星。天文学家在2024年首次提出该伴星的存在，以解释参宿四亮度大约每2100天变化一次的令人费解的周期。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。
名字“Siwarha”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“阿尔-贾兹的手”，而 Siwarha 的意思是“她的手镯”。
与远离其宿主的行星或恒星不同，Siwarha 被认为遵循一条直接穿过参宿四延伸大气的轨道。其估计的轨道距离仅为红超巨星半径的两倍左右。
Matthews 解释说：“这颗伴星的运行轨道离恒星如此之近，以至于它实际上穿过了它延伸的大气层。”
随着 Siwarha 沿其轨道移动，它可能像快艇劈波斩浪一样穿过周围的气体。由此产生的尾流可能会扰动大气层，产生天文学家可以检测到的变化，尽管这颗较小的恒星本身在射电观测中仍然不可见。
事实上，研究人员计算出，Siwarha 可能太暗（亮度低了数十到数百倍），以至于无法通过他们收集的射电测量直接检测到。相反，他们通过研究参宿四大气层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了新线索
科学家发现，参宿四在射电波长下并不总是显得完全圆润。其大气层有时会呈现出轻微拉长的卵形外观，而这些变化的时间似乎与 Siwarha 的预期位置相吻合。
为了调查这种联系，该团队在不同时间拍摄的观测中测量了大气层偏离圆形的程度（“椭圆率”）。
他们发现，当预计 Siwarha 处于距离巨星最大视分离度时，参宿四往往显得更长。从我们的角度来看，当预计伴星在参宿四前方或后方经过时，大气层显得更圆。
这种关系提供了令人信服的证据，表明这颗较小的恒星可能通过引力及其对气体的物理穿行，影响着参宿四外层结构的形状。
这种效应类似于注意到池塘上泛起涟漪，却看不见是什么引起了它们。尽管 Siwarha 在射电波长下仍然太暗而无法直接识别，但参宿四大气层不断变化的形状可能会揭示其围绕这颗更大恒星的运动。
未来的观测可以揭示更多关于参宿四的信息
尽管取得了有希望的结果，但天文学家强调，需要进行更多的观测来证实 Siwarha 的轨道与大气畸变之间的联系。涵盖伴星更多轨道周期的测量，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大。
更先进的仪器最终可能会提供更清晰的画面。目前正在开发中的下一代甚大天线阵（Next Generation Very Large Array）预计将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，还可以揭示衰老的红超巨星在接近生命最后阶段时如何失去物质。了解这些相互作用可以帮助天文学家更好地解释塑造像参宿四这样巨型恒星演化的复杂过程。