參宿四

观测的历史

参宿四自古以来就是颗受到注意的红色恒星；《史记·天官书》说：“参为白虎。三星直者，是为衡石。下有三星，兑，曰罚，为斩艾事。其外四星，左右肩股也。小三星隅置，曰觜，为虎首。”古天文学家托勒密将他的颜色描述为"ὑπόκιρρος"，稍后此一描述在乌鲁伯格的Zij-i Sultani被翻译为rubedinis，意思如同拉丁文的红色（ruddiness）。在科学革命之前，天文学史与神话和占星学有着密切的关系，红星，像行星火星之名是从罗马的战神衍生出来的，并通过母体的死亡和再生来扩展，与原型martial有着密切的关系。在现代的恒星分类法创立之前，安吉洛·西奇自创的光谱分析将参宿四作为第三类（橘色至红色恒星）的原型。

赫歇耳的发现

约翰·赫歇耳爵士在1836年首次描述了参宿四的光度变化，他将此一发现发表在天文学大纲（Outlines of Astronomy）：他注意到活动在1836-1840年的增加，以及随后的减少。在1849年，他注意到一个较短周期的变化，并在1852年达到高峰。后续的观测记录到每隔几年就有不寻常的高峰，但在1957年至1967年只有很小的变化。美国变星观测者协会（AAVSO）的记录显示最大的视星等（亮度）在1933年和1942年是0.2等，最暗的视星等出现在1927年和1941年，是1.2等。这样的光度变化常被人错误的用来解释拜耳为何在1603年出版的《测天图》中将参宿四命名为猎户座α，而更亮的对手参宿七却只是猎户座β。
在1920年，阿尔伯特·迈克逊和Francis Pease在威尔逊山天文台2,5米（100寸）的望远镜前方安装了6米（20尺）的干涉仪，在John Anderson的协助下，他们三人测出参宿四的角直径是0.047"，基于当时的视差是0.018"，转换成图形的结果是直径达到3亿8,400万公里（2亿4,000万英里或2.58天文单位）的大圆。但是由于未知的不确定性，像是周边昏暗和测量误差－是将近一世纪的科学调查重点的中心主题。从第一次以可见波长测量，研究人员已经从中红外线至紫外线的范围进行多种的调查，但获得的结果仍有待确认。
在1950和1960年代在科学上展现出重要的发展，两个同温层望远镜计划和在1958年发表的《恒星的结构和演化》，主要的工作者是密切合作的马丁·史瓦西和普林斯敦大学的Richard Härm。这本书教导新一代的天文物理学家如何使用初期的电脑技术创建恒星模型，当同温层望远镜计划利用气球将仪器带到大气层之上，克服地球大气湍流，产生一些前所未见的米粒斑和太阳黑子的细致影像，从而证实太阳大气中存在着对流。这两项发展都证明，对我们了解像参宿四这种红巨星的结构，有着意味深长的冲击。

孔径遮罩

在上个世纪的70年代，来自柏克莱在太空科学实验室工作的安托尼伊美在红外线和可见光的干涉仪上看见几个值得注意的进展，当时研究人员开始从多架望远镜上组合影像，不久之后发明了"条纹追踪（fringe-tracking）"技术。但是直到1980年代末期和1990年代初期，使用孔径遮罩干涉常规性的观测参宿四时，才在可见光和红外摄影上有了重大的突破。开创的约翰E.鲍德温和卡文迪许天体物理组的其它同事，以新技术在恒星的光球上揭露出一些明亮的斑点，并且对参宿四提供了最精确的测量。这是除了太阳之外，第一次获得恒星盘面的可见光和红外线影像；第一次从地面的干涉仪和以后来自高解析的COAST望远镜，"亮斑"或"热点"有力的巩固史瓦西早在数十年前提出的大质量对流细胞主导了恒星表面的理论。
在1995年，哈伯太空望远镜的暗天体照相机捕捉到可以分析的紫外线影像－第一次以传统的望远镜获得另一颗恒星盘面的影像（或NASA的专门术语所谓的"直接影像"）。由于地面的仪器使用相同波长的紫外线无法获得与哈伯同样精确度的影像。如同早期的影像，这些紫外线的影像也有一个亮斑，显示有一个2,000K的区域，在这个例子中位于恒星表面的西南部，其后由戈达德高解析摄谱仪的紫外线光谱认为热点是参宿四自转的轴点之一。这会使参宿四的自转轴对地球的方向倾斜大约20°，与天球北极的方位角约为55°。

近代的研究

21世纪的第一个10年在许多方面都获得了重大的进展，最核心的是在不同的波长上获得恒星光球的影像，和对参宿四复杂星周壳的研究。在来到千禧年之际，使用红外线空间干涉仪（Infrared Spatial Interferometer，ISI）以中红外线测量，估计出参宿四周边昏暗是55.2 ± 0.5 mas，与迈克逊80年前发现的图完全一致。在他发表的时候，从依巴谷任务估计的视差是7.63 ± 1.64 mas，因此估计参宿四的半径是3.6天文单位。不过，来自智利帕拉那天文台的干涉仪在近红外线上的诸多研究却引起更多对直径的争论。不过，在2009年6月29日，诺贝尔得主查理斯·汤发表了这颗恒星自1993年在速率的增加上已经萎缩了15%。他提出的证据来自加州大学柏克莱分校位于威尔逊山天文台山顶的ISI已经持续15年观测到恒星的收缩。尽管参宿四的大小明显的减少，汤和他的同事Edward Wishnow指出，在美国变星观测者协会长期定期监测下，参宿四可见的光度，或星等在这段期间并没有明显的变暗。半径减少与相对恒定通量耦合的这一发现，成为解决恒星结构理论一些根本问题的关键。
对包层完整的审议已经大量研究参宿四扩张大气层深奥的动力学。几十年来天文学家已经了解红巨星创造的不透明外壳主导了质量重返银河，但是这种恒星质量流失的实际机制仍然是一个谜。干涉测量方法上的最新进展，天文学家可能已经接近此一难题的解答。在2009年7月，欧洲南方天文台释出由甚大望远镜干涉仪（VLTI）获得的影像，显示巨大的羽流气体喷射到周围的距离几乎远达到30天文单位。这相当于太阳与海王星之间的距离，但是这种物质抛射只是发生在周围大气诸多动态中的一种。天文学家发现在参宿四周围至少有6种不同的壳层活动。当本世纪开始时，解决恒星演化阶段的质量损失之谜，或许可以揭示这些超巨星突然爆炸的因素。

可见性

参宿四是很容易在夜空中发现的，它就出现在著名的猎户腰带附近，并且肉眼就可以看见它发出的橙红色光芒。在北半球，从每年的一月开始，可以看见它于日落时从东方升起。在3月中旬，这颗恒星在黄昏时已经在南方的天空中，而且几乎全球各地的居住者都可以看见，仅仅只有南极洲少数几个位置在南纬82°更南边的偏远研究站才看不见。在南半球的大城市（像是悉尼、布宜诺斯艾利斯、和开普敦），参宿四的高度角几乎可以达到地平线上49°。一旦来到5月，就只能在太阳刚西沉之际在西方地平线上惊鸿一瞥了。
在SIMBAD的列表中，参宿四的视星等是0.42，使它的平均亮度是天球上的第9亮星，正好就在水委一的前面。但因为参宿四是一颗变星，它的光度变化范围在0.2至1.2之间，因此有的时候他的光度会超越南河三，成为全天第八亮星。参宿七也是一样，它通常的视星等是0.12，但报告指出光度有0.03至0.3星等的波动，这也可能使参宿四偶尔会比参宿七明亮而成为全天第七亮星。当它最暗时，会比第19亮的天津四还要暗，并与十字架三竞争第20名的位置。
参宿四的色指数（B–V）是1.85—在图形上指出这是个极度"红色"的天体。光球有着扩展的大气层，光谱中呈现强烈的发射线而不是吸收线，这是一颗恒星外面有着浓厚的气体包壳时出现的现象。取决于光球层径向速度的波动，这些扩展的气体曾经被观察到远离和朝向参宿四移动的运动。这颗恒星的辐射能只有13%的是经由可见光发射出来，而大部分的辐射都在红外线的波段。如果眼睛可以感觉到所有辐射的波长，参宿四可能会成为全天空最亮的恒星。

视差

自从白塞尔在1838年成功的测量出视差，天文学家就对参宿四的距离极为困惑，不确定性使得许多恒星的参数值很难得到正确的估计。准确的距离和角直径将揭示恒星的半径和有效温度，导出清楚的解读热辐射的光度；光度与同位素丰度结合可以提供对恒星年龄和质量的估计。在1920年，当第一次以干涉仪研究恒星的直径时，假设视差是0.18角秒。这等同于距离是56秒差距，或是180光年，这样不仅获得的恒星半径不正确，恒星的特征也不同。在这之后，有些进行的调查将这神秘的实际距离建议为高达400秒差距，或是1,300光年。

在依巴谷星表公布之前（1997），有两份受人尊重的出版物有参宿四最新的视差资料。第一份是耶鲁大学天文台（1991）公布的视差是π = 9.8 ± 4.7 mas，相当于距离大约是102秒差距，或是330光年。第二份是依巴谷输入星表（1993），它的三角视差是π = 5 ± 4 mas，相当于200秒差距或是650光年－几乎是耶鲁估计值的两倍。这种不确定性，使研究人员对距离估计使用宽松的范围，这种现象引燃了许多的争议－不仅仅是在恒星的距离上，还影响到其它的恒星参数。
期待已久的依巴谷任务结果终于在1997年发表（释出）。解决了这一个问题，新的视差值是π = 7.63 ± 1.64 mas，这相当于131秒差距，或是430光年。因为像参宿四这种变光星，会造成具体的问体影响到它们距离的量化。因此，the large cosmic error in the Hipparcos solution could well be of stellar origin, relating possibly to movements of the photocenter, of order 3.4 mas, in the Hipparcos photometric Hp band.
在这次的争论中，电波天文学的最新发展似乎占了上风。格雷厄姆和同事们使用美国国家无线电天文台（NRAO）的甚大天线阵（VLA），以新的高空间分辨率和多波长无线电对参宿四位置的指引，获得更精确的估计值，加上依巴谷的资料，提供了新的天文测量解答：π = 5.07 ± 1.10 mas，在严谨的误差因子下得出的距离是197 ± 45 秒差距或643 ± 146 光年。
接下来在计算上的突破将可能来自欧洲空间局即将进行的盖亚任务，它将承担详细的分析每一颗被观测恒星的物理性质，揭示亮度、温度、重力和成分。盖亚将多次测量每一个亮度暗达20星等和比15等亮的天体位置，精确度达到24微角秒－相当于从1000公里外测量的人发直径。携带的检测设备将确保能测量像参宿四这种变星在最暗时的极限，这将解决较早时依巴谷任务位置上绝大部分的局限性。事实上，对最近的那些恒星，将能以小于0.001%的误差因子来测量他们的距离。即使是靠近银河中心的恒星，距离大约是30,000光年，距离测量上的误差也将在小于20%以内。

光度变化

作为胀缩变化恒星"SRC"的次分类，研究人员提供了不同的假设试图解释参宿四反复无常的舞蹈－这导致绝对星等在-5.27至-6.27之间的振荡现象。以我们目前了解的恒星结构认为是这颗超巨星的外层逐渐的膨胀和收缩，造成表面积（光球）交替的增加和减少，和温度的上升和降低－因此导致测量到这颗恒星的亮度有节奏的在最暗的1.2等，如同1927年早期见到的，和最亮的0.2等，如同1933和1942年，之间变化著。像参宿四这种红巨星，因为大气层本来就不稳定因此会通过脉动的方法。当恒星收缩，它吸收越来越多通过的能量，造成大气层被加热和膨胀。反过来，当恒星膨胀时，它的大气层变得稀薄，允许较多的能量逃逸出去并使温度下降，因此启动一个新的收缩阶段。在计算恒星的脉动和模型都很困难的情况下，看来有几个交错的周期。在上个世纪的1930年代，Stebbins和Sanford的研究论文指出有一个由150至300天的短周期变化调制成的大约5.7年的规则循环变化周期。
事实上，超巨星始终显示不规则的光度、极化和光谱的变化，这指出在恒星的表面和扩展的大气层有着复杂的活动。对照于受到监测的大多数巨星都是有着合理的规则周期的长周期变星，红巨星通常都是半规则或不规则的，有着脉动特性的变星。在1975年，Martin Schwarzschild发表了一篇具有里程碑意义的论文，认为光度起伏不定的变化是因为一些巨大的对流细胞（米粒斑的模式）覆盖在恒星表面所导致的。在太阳，这些对流细胞，或是称为太阳米粒，代表热传导的一种重要模式－因为那些对流元素主宰著太阳光球的亮度变化。太阳的米粒组织典型的直径大约是2,000公里的大小（大约相当于印度的表面积），深度大约700公里。在太阳表面大约有200万个这样的米粒斑覆盖着6兆公里²的光球面积，如此巨大的数量产生相对恒定的通量。在这些米粒斑之下，连结著5000至10,000个平均直径30,000公里，深度达到10,000公里的超米粒斑。对照之下，Schwardschild认为像参宿四这样的恒星可能只有一打左右像怪兽的米粒斑，直径达到1亿8千万公里或更大而足以支配恒星的表面，与深度6千万公里，这是因为红巨星的包层温度和密度都很低，导致对流的效率极低。因此，如果在任何时间都只能看见三分之一的对流细胞，它们所观测到的光度随着时间的变化就可能反映出恒星整体的光度变化。
Schwarzschild的巨大对流细胞主宰巨星和红巨星表面的假说似乎有张贴在天文讨论社区，当哈伯太空望远镜在1995年首度直接捕捉到参宿四表面神秘的热点时，天文学家就将它归因为对流。两年后，天文学家揭露至少有三个亮点造成观测到这颗恒星错综复杂的亮度分布不对称，其幅度"符合表面的对流热点"。然后在2000年，另一组由哈佛-史密松天体物理中心（Cfa）的Alex Lobel领导的小组，注意到参宿四湍流的大气层中冷与热的气流展示出肆虐的风暴。小组推测在恒星大气层中大片活力充沛的气体同时向不同的方向膨胀，抛射出长长的温热气体羽流进入寒冷的尘埃包层。另一种解释是温热的气体在横越恒星较冷的区域时造成激波的出现。这个团队研究参宿四大气层的时间超过5年，使用的是哈伯的太空望远镜影像摄谱仪在1998年至2003年的资料。他们发现在色球层上活动的气泡，在恒星的一边抛起气体，当落在另一边时，好像慢动作翻腾的熔岩灯。