參宿四的形狀隨伴星Siwarha同步變化，這顆伴星就在它的大氣層裡運行

參宿四（Betelgeuse）是獵戶座肩膀上那顆紅超巨星，它的形狀並非完美的圓形，而且它偏離正圓的程度，似乎與另一顆恆星的運行節奏同步。最新的無線電圖像顯示，這顆巨星的外層大氣會伸展成微幅的橢圓形，當它的伴星Siwarha運行到距離主星最遠的位置時，大氣就會拉長；而當伴星從主星前方或後方掠過時，大氣又會放鬆，回復接近圓形的狀態。

這種模式之所以引人注目，是因為Siwarha並非從安全的距離繞行參宿四。它穿行在這顆巨星的擴展大氣層內，其軌道距離恆星中心僅略超過主星半徑的兩倍。因此，參宿四形狀的變化，就像池塘水面上的漣漪，透露出表面之下有東西正在移動。「這顆伴星的軌道非常靠近主星，以至於它實際上穿過了參宿四的擴展大氣層，」領導這項研究的麻省理工學院海斯塔克天文台（MIT Haystack Observatory）研究員 Lynn Matthews 表示。

同樣的觀測還帶來了第二項結果。參宿四的大氣已大致從「大暗淡事件」（Great Dimming）中恢復，那次事件使參宿四黯淡到逾一個世紀觀測記錄以來的最低亮度。在大暗淡發生前曾異常冷卻的氣體，現在溫度約為 3,500 凱氏度，接近該恆星可見表面的溫度。

參宿四是距離地球最近的兩顆紅超巨星之一，是一顆處於生命末期的巨大恆星，終將在未來的某一天以超新星爆發收場。這類恆星在爆發前如何拋散其外層，決定了它們身後留下的星雲形態；而一顆伴星在這些氣層中穿行，則為這個故事增添了一個新變數。

無線電波如何讓天文學家剖析恆星的大氣層

該研究團隊包括來自哈佛-史密松天體物理中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）、曼徹斯特大學（University of Manchester）以及歐洲南方天文台（European Southern Observatory）的研究人員，他們結合了兩種儀器。位於新墨西哥州的甚大陣列（Very Large Array，VLA）負責較低的頻率，而位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/次毫米陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）則負責較高的頻率。兩者聯手，在 2021 年至 2026 年間進行的多次觀測活動中，以七個頻率（從 22 到 485 吉赫）對參宿四進行了觀測。

每個頻率都來自大氣不同的深度。較高的頻率能看到更接近可見表面的氣體，較低的頻率則能看見更外層的氣層。因此，這組數據構建出一幅從表面上方到數倍恆星半徑距離的分層大氣圖。參宿四在天空中具有最大的視直徑之一，因此兩套陣列都能將其解析為一個圓盤，而非一個光點。「正是 NSF VLA 和 ALMA 提供的驚人數據組合，才讓我們在這裡得到了令人信服的結果，」Matthews 說。「我們竟能用這些設施實際解析出近距離恆星的盤面，這真是太不可思議了。」

對於每一幅圖像，團隊都擬合了一個橢圓盤，並記錄其大小、方向、亮度溫度以及「橢圓率」（ellipticity，即形狀偏離正圓的程度）。接著，他們將這些橢圓率數值，與根據已發表的軌道數據推算出的伴星預測位置進行比對，並加入了早期其他無線電研究的三個測量數據。

團隊別無選擇，只能間接尋找Siwarha。假設這是一顆半徑約為太陽兩倍、溫度約 12,000 凱爾文的恆星，其在 44 吉赫頻率下自身的無線電亮度大約只有 0.1 微央斯基（microjansky），比任何合理觀測時間內能偵測到的訊號弱了十倍以上。即使在 ALMA 最高頻的波段（訊號會更亮），它也淹沒在影像的雜訊中。而在那些 ALMA 觀測期間，這顆伴星幾乎正好位於主星正前方，距離主星中心僅約 23 毫角秒。

一個較冷層、一個較熱殼層、與一顆回歸正常的恆星

在「大暗淡事件」發生前幾個月，由 Matthews 領導的一項研究發現，參宿四大氣在 44 吉赫頻率下的亮度溫度創下 30 年來的新低，這顯示恆星深處的對流所引發的衝擊波擾亂了外層氣體。隨後，這顆恆星拋出物質，形成了塵埃，部分遮擋了我們的視線。

而最新的測量數據顯示，這些溫度已回歸到過去約三十年無線電觀測的範圍內。在 22 吉赫頻率下，距離恆星半徑約 2.7 倍處的氣體溫度約為 3,500 凱爾文，與介於 3,476 至 3,650 凱爾文的表面溫度相當。這個溫度峰值現在所在的位置，比 2016 年之前的測量結果更靠外圍，作者認為這可能反映了大氣密度隨高度遞減的方式發生了變化。

往內看，ALMA 最高頻率的數據，其觀測深度比以往任何無線電測量都更接近恆星表面，在距離半徑 1.2 倍處發現了約 2,200 凱爾文的氣體。這比可見表面低了超過 1,000 度，證實了一個長久以來的推測：在表面與其上方更熱的色球層之間，存在一個溫度最低點。這個低溫層與「MOLsphere」相吻合，這是一個根據紅外線觀測推斷出的分子氣體殼層。在所有頻率下，無線電測得的溫度也都低於根據相同高度處的紫外線所推斷出的溫度，這指向低溫氣體與高溫色球物質混合在一起。

作為比例尺，參宿四在天空中的視角直徑約為 44 毫角秒。把它放在太陽的位置，它的可見表面將延伸到火星軌道之外。

花費數十年才確定的伴星

長期以來，參宿四的亮暗變化遵循著兩種節奏：一個約 400 天的週期，以及一個約 2,100 天（接近六年）的較慢週期，而後者的成因一直不明。兩項獨立研究得出結論，這個慢週期來自一顆在擴展大氣層內、距離恆星中心約 2.3 倍半徑處運行的伴星。隨後，一個採用散斑成像（speckle imaging）的團隊報告了初步探測結果，並將其命名為Siwarha，阿拉伯語意為「她的手鐲」，藉此呼應參宿四自身的名稱「al-Jawza 之手」。該名稱現已獲得國際天文學聯合會（International Astronomical Union）的正式認可。

後續的證據接踵而來。哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）的紫外線光譜顯示了與伴星軌道同步的譜線形狀與速度變化，作者認為這是伴星身後拖曳的尾跡。最強而有力的確認來自歐洲南方天文台超大望遠鏡（ESO’s Very Large Telescope）上的 SPHERE 儀器進行的直接成像，它在預測位置上探測到了這顆伴星。而此次的無線電結果則帶來了另一種截然不同的信號：伴星對這顆巨星本身形狀的影響。

無線電圖像無法解決的問題

每一次觀測、每一個波段的橢圓率都很小，而且這個趨勢是基於分散在整個軌道上的有限觀測數據。作者將此結果描述為「與伴星週期性擾動一致的現象」，而非確鑿證據，並表示需要更多涵蓋更廣泛頻率範圍與軌道相位階段的觀測期來加以證實。

數據中還存在一個謎題。橢圓率在不同頻率下都能追蹤到伴星的影響，但最佳擬合橢圓的方向卻不盡相同。ALMA 最高頻的波段將其長軸定位在 31 至 47 度之間，ALMA 較低的兩個波段則約為 140 度，而 VLA 的結果大約在 90 到 120 度之間。一種可能的解釋是，每個頻率採樣的是三維擾動結構（例如哈伯數據所提出的尾跡）的不同切片，但這仍有待驗證。

團隊也在影像中搜索了伴星預測位置附近的亮斑或不對稱結構，但未發現任何能明確與之相關的特徵，部分原因在於某些頻率解析度有限，以及在最銳利的觀測期間伴星所處的尷尬位置。Siwarha本身的性質，包括其質量和類型，仍有待辯論。如果它最終被證實是一顆年輕的閃焰星（flaring star），它可能在 5 至 10 吉赫左右的較低頻率產生變異的無線電輻射，而這些觀測並未涵蓋該頻段。

關於參宿四與Siwarha的常見問題

什麼是Siwarha？

Siwarha是參宿四的伴星。它在這顆紅超巨星的擴展大氣層內運行，距離恆星中心約 2.3 倍半徑，大約每 2,100 天完成一次軌道運行。它的名字在阿拉伯語中意為「她的手鐲」，現為國際天文學聯合會的正式命名。

參宿四已經從「大暗淡事件」中恢復了嗎？

從無線電波長的角度來看，大致如此。在 22 和 44 吉赫頻率下的亮度溫度，曾在暗淡事件前夕創下 30 年新低，現已回到過去大約三十年的正常測量範圍內。而「大暗淡事件」本體在 2019 年底至 2020 年初發生，使參宿四黯淡到一個多世紀觀測記錄以來的最低點。

參宿四快要爆炸了嗎？

這項研究中沒有任何跡象顯示超新星爆發即將發生。參宿四是一顆處於生命晚期的紅超巨星，預計有朝一日會爆炸，但這些觀測追蹤的是其外部大氣層的行為，而非其核心的狀態。

參宿四距離我們多遠？

估計值不盡相同。這項研究採用的距離約為 222 秒差距（parsecs），相當於約 720 光年；而其他廣泛引用的數據則將這顆恆星定得更近，約為 650 光年。總之，它是距離地球最近的兩顆紅超巨星之一。

下一步展望

這篇論文於 2026 年 9 月發表在《天文學期刊》（The Astronomical Journal）上。國家電波天文台（National Radio Astronomy Observatory）則在 2026 年 10 月 27 日公布了這項成果。根據團隊的軌道表，這顆伴星在 2026 年 4 月剛剛掠過主星的遠端，正朝向下一個間距最寬的位置前進，而這種時刻正是橢圓效應最應清晰顯現的時機。作者希望在更多頻率和軌道相位上取得新的觀測數據，並預期平方千米陣列（Square Kilometre Array）與下一代甚大陣列（Next Generation Very Large Array）能讓此類測量成為例行公事。在那之前，要在無線電波段「觀看」Siwarha的唯一方法，就是觀察參宿四的形狀變化。

參考文獻：Matthews et al., “New Spatially Resolved Observations of Betelgeuse from the VLA and ALMA: Evidence for Atmospheric Perturbations from a Close Companion,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae953d

標籤: 天文學, ALMA, Betelgeuse, Siwarha, Very Large Array, 紅超巨星