什麼鬼:我們已知的最怪異恒星的故事

2020-02-05 17:17:29  阅读 901032 次 评论 0 条

原創翻譯:龍騰網 翻譯:bonjour 

什Ҭ:我們已知的最怪異恒星的故事

很明顯有什麼神秘的事正在發生。我們不知道究竟發生了什麼,或者它是如何發生的,但是我們與真相之間的距離跟我們在2009年時的一樣。

Sandhya Ramesh是一名關注天文學和地球科學的科普作者。

在2009年5月,世界上有幾百名觀察者發現了一顆處在非Ů非Ů遙遠星係的恒星。這顆恒星看起來跟他們之前看過的沒什麼不同。這幾百人聚集在一個名叫行星獵手的網絡論壇——該論壇是公民科學計劃的一部分——狂熱地討論著他們的發現。他們都在研究開普勒太空望遠鏡獲得的數據。這顆後來被叫做KIC8462852的恒星正在以一種非Ů怪異的方式閃爍著。

在今天,尋找太陽係以外的行星是天文學中的一個活躍領域。第一顆係外行星於1992年被發現。僅僅25年後,已經有超過3500顆係外行星被確認。其中,NASA的開普勒太空望遠鏡獨自發現了超過2000顆。開普勒太空望遠鏡的工作方式是對宇宙某一部分持續觀察幾周、幾個月甚至幾年。當有行星掠過這些恒星表時,對恒星度會產生微小但明確的幹擾。這些幹擾會被記錄下來,用來計算行星的尺Ū越大的行星遮擋的光越多。

這些記錄數據有幾百TB之多,所以天文學家使用精確設定好的電腦程序來篩遷ŀ些信息,以尋找係外行星的蹤跡。這些程序非Ů有效率,比以往任何天文學家團隊處理信息的速度都要快得多。但是它們也並不完美。有時候,這些程序會忽略掉它們沒有被規定尋找的東西。這時就需要公民科學了。

學生、家庭主婦、藝術家、老爺爺老奶奶都能夠以不計其數的方式對公民科孷Š目做出貢獻。有的計劃是幫助識別由隱蔽相機拍下來的動物。有些項目是讓你我通過查看火星表的照片來確認風型,有些是掃描手稿製作電子版文檔,甚至還有建立野生動物數據的項目。人類大腦非Ů善於識別圖案——以至於有時候我們甚能看到本不存在的圖案。

行星獵手就是這樣一個公民科孷Š目,旨在幫助科學家識別被電腦遺漏的恒星度幹擾。截止到2017年8月,已有超過30萬公民科學工作者參與其中,每天都在梳理著開普勒太空望遠鏡傳回的數據。

在2009年6月,天文學家Tabetha Boyajian收到一群公民科學工作者的警報,稱有一顆大概1500光年以外的獨特恒星一直在被用戶們貼上“有趣”或者“怪異”的標簽。作為耶魯大學的博士後,Boyajian和她的同事Debra Fischer——行星獵手項目的發起人——被這個情況吸引住了。這顆恒星的確看起來十分不同。它的度一開始減了微小的0.5%——這很平Ů——但整整持續了四天,這就完全不平Ů了。一般來說,行星掠過類似恒星的表形成的度幹擾大概隻持續幾個小時。

這就是在2009年早些時候他們注意到的第一次度幹擾。在幾個星期之後,KIC8462852的度減持續了幾乎整整一周。Boyajian和Fischer花了幾天時間研究數據瀏覽數字,但仍不能解釋KIC8462852的表現。儀器工作正Ů,計算機工作正Ů,數據清楚。度減的確存在——但無法解釋。不僅度減的超長周期顯得非Ů奇怪,度減的方式也非Ů奇怪。

當一顆行星掠過恒星表時,其類似球形的形狀會引起對稱的度變化。在統計圖上顯示的度減模式應該跟度恢複模式一致。

但是開普勒望遠鏡觀察到8462852的度減模式卻不對稱的。

行星以固定周期圍繞恒星旋轉,它們引起的度幹擾之間的時間間隔非Ů精確。但是圍繞著KIC8462852旋轉的物體引起的度幹擾卻無法預測,非Ů隨機。

公民科學工作者和天文學家持續研究這顆恒星,現在它已經恢複了正Ů度。

兩年後,在2011年3月,開普勒望遠鏡捕捉到了KIC8462852新的度幹擾,讓天文學家再度緊張起來。一顆像木星那麼大的行星最多能夠引起恒星度減少1%,而KIC8462852的度減少了近15%。就像在2009年一樣,度幹擾不對稱,持續了一個星期才恢複正Ů度。這個模式重複了幾天,之後這顆恒星又“安靜”了。

KIC8462852在2011年3月發生的度急劇降低(開普勒望遠鏡觀測第792天)。

在2013年2月和4月,KIC8462852再次蘇醒。這次的一係列度幹擾完全無規律可循。之前的度幹擾僅僅是一些隨機時間間隔的度減,新的數據顯示它的度的強度和持續時間都在變化。幹擾模式也非Ů複雜。天文學家在大的幹擾中觀測到了小的幹擾,在小幹擾裏甚至還有更小的幹擾。其碎片化的度變遷在一些天內不斷重複,同時還伴有不規則的度恢複,讓度幹擾變得極其複雜。在某一時刻,該恒星度令人震驚地減少了22%。

在2015年10月,Boyajian和她的團隊一起發表了一篇論文,標題是《光通量都去哪了》(Where’sThe Flux)。這篇論文引起了媒體的瘋狂追捧,並讓這顆恒星成為天文學界的焦點。從那以後,KIC8462852被稱為塔比星、Boyajian星或者——非Ů形象——什Ҭ星(WTF star)。

對恒星度造成幹擾的物體通Ů會因其物理屬性產生具體的特征。這種數據通Ů可以在恒星本身發出的光中找到。如果是一團雲或煙塵擋住了恒星,大部分藍光會被阻。如果遮擋物更加密實且敷Ň眾多,所有波長的光都會被阻。密實物體也會被加熱,在紅外數據中非Ů明顯。另一種加熱——姑且這麼講——可以顯示該物體的構成。一些元素會吸收相應頻率的星光,因此在數據中會顯示該波段光線缺失。這種條碼可以用來測定元素群。

天文學家使用光譜分析設備可以推斷出,塔比星是一顆中年恒星,年齡跟我們45億歲的太陽差不多(用專業術語來說,屬於F型主序列恒星)。

鑒於此,Boyajian和她的團隊在2015年提出了一係列假說來解釋神秘幹擾的成因。

排名最靠前——也不出乎大家意料——的解釋是存在一個原始行星盤。恒星係的產生源於一片巨大氣體雲因其本身質量而坍縮並開始自轉。這時,所有物質組成了一個圓盤,加速旋轉。在圓盤中心部分密度最大,恒星也會最終在這裏產生,而小質量物質——氣體和一些ר石——會被甩到外側。這就是原始行星盤。這是行星的出生之地。一團團的物質到處碰撞,形成更大的團塊,像滾雪球一樣變成微行星。氣體被拋出星盤,形成絢麗且深不見底的巨大氣體雲。

原始行星盤會圍繞恒星旋轉上百萬年,最終產生穩定的行星係。在這段時間,原始行星盤會對恒星度產生不規則幹擾(在遠距離觀察者眼中)。

但這個理論存在一個巨大的漏洞:原始行星盤,之所以被“原始”修飾,就是因為它隻存在於新生恒星周圍。塔比星不是新生恒星。

另外,灰塵會吸收熱量。當它稍微有點熱,比如說,跟人類體溫一樣時,紅外望遠鏡會捕捉到它的光芒。但是NASA的斯皮策望遠鏡沒有此類發現。另外一種解釋——即兩顆行星碰撞導致它們的軌道上布滿碎片,或者一顆行星在星際大戰中被擊碎——也被排除了。事實上,在塔比星的軌道上似乎並不存在碎片。

下一個說法:或許這顆恒星的尺寸和度會自行增加和減少?目前我們知道的確有一些恒星是這樣的。天文學家稱這些恒星為變星。在可觀測宇宙中發現的最大恒星UY Scuti就是這樣的星星。它們通Ů會在原始行星盤中大量物質被吸入年輕恒星導致度和體積突然激增時被發現。但這個說法也被同樣的矛攻破了:這顆恒星並不年輕,周圍沒有原始行星盤。

Boyajian及其團隊的論文總結出了可能最容易被接受的說法:一大隊彗星經過恒星表。但這也不太可能:如果要引起天文學家觀察到的塔比星級別的度幹擾,這隊大彗星必須得像蝗蟲群一樣密集。如果這樣的彗星群存在,那它們必須得是一顆100公裏直徑的ר石一次性爆裂形成的。彗星在紅外照片中也不會發光,因為熱量會被其中的冰塊吸收並揮發到宇宙中。就像聽起來那麼奇怪,這個說法是最不會被馬上駁倒的。

然而,這些說法中沒有一個——像它們試圖從自然角度解釋的說服力一樣——比Boyajian和賓夕法͹亞州立大學的一名天文學家在一次談話中提及的一個詞那樣引起公眾注意。

當我們尋找地外文明時,我們要注意的一個證據就是他們存在的綜合征兆。我們尋找他們可能建造的物體,或者他們的機器可能發射出的信號。我們假設,如果有外星人存在,他們會比我們存在得更久,並且有更複雜的生活式。我們設想他們可能耗盡了母星上的所有燃料並開始到別處尋找資源。對Ҁ樣一個胃口巨大的文明,有什麼能量來源比得上一整顆恒星?

在1960年發表的一篇論文中,物理學家FreemanDyson描述了一種巨型構築物,在之後被稱為戴森球。這是一種將恒星包在裏的巨大結構,其內部布滿了太陽能板和其他設備。恒星產生的所有能量都會被這個球吸收。在不同建設階段,這個結構可能會看起來像一個帶有居住區和能源站的圓環,然後演變成一個由多個環組成的“泡泡”,最後變成一個球。

在2014年,賓州州立大學的天文學家JohnWright被一個可能是先進文明建造的吸收能量的巨大結構吸引住了。他建議在塔比星附近尋找戴森球。這也是為什Ҁ顆星被叫做“外星巨構”星。

跟原始行星盤和變星說法一樣,這個解釋也存在一個漏洞。一個吸收F型恒星能量的戴森球應該會發生溫度上升的情況。但在數據中找不到相應的熱特征。

Wright正在寫一篇關於用開普勒望遠鏡尋找外星能量輷ŀ巨構的論文。他推斷道,這個望遠鏡足夠強大到能分辨類似巨型太陽能板、環世界、為尋找其他外星文明建造的大型空間天線等人造結構和係外行星。他在2013年發表了一篇關於此理論的博文。當他正在把這篇博文修改成期刊文章時,Boyajian訪問了賓州州立大學並發表演講,她跟Wright分享了當時尚未發表的度幹擾數據。

在接下來的一年,Wright被奇怪的數據迷得神魂顛倒,他向ɢ克利SETI研究中心運行的綠壩望遠鏡預訂了使用時間以觀測塔比星。(SETI即地外智慧生命搜索, the Search for Extraterrestrial Intelligence)

同時,媒體因Wright及其團隊在2015年12月發表的一篇論文興奮得歇斯底裏。這篇論文是關於巨型結構可能的樣式,並引用塔比星作為例子。

沒有經過多長時間,Wright精心準備過的評論就引起了轟動。在2016年,每隔兩到三個星期,在世界的某個地方就會出現一條頭條新聞驚呼“外星巨構”。但盡管外星巨構能夠存在於理論中,天文學家們卻並不買賬。他們要看到觀測證據——這也是他們的權利。

他們仍然沒有得到任何觀測證據。

在Wright給出了他的建議的時候,他的同輩們在發展另一個理論——感謝上天,這個理論更自然。瓦倫西亞大學和坎塔布裏亞大學——兩所西班牙大學——的天文學家們問道:塔比星的度幹擾是否可能是一個巨型行星及其被稱為“木馬”的夥伴引起的?

“木馬”是一些跟行星處於同一軌道上圍繞恒星旋轉的ר石體,但意義並不同。對於每顆行星來說,其衛星軌道有兩個區域(前區和後區)可以供衛星停留。在這兩個區域的一些地方,恒星和行星的引力互相抵消,造成在此處的衛星幾乎不沿著衛星軌道運行,反而是隨著衛星軌道運行。總之,這種物體——“木馬”——在恒星或行星上觀測到的相對位置總是不變的。

西班牙人建立了有環行星和木馬模型。“我們旨在提供一種相對自然的解釋,隻用之前觀測到的現象,盡管可能以一種更大的形式出現,”他們在一篇發表於2017年6月的預印本論文中寫道。

如果真的存在一顆比木星大五倍而且被眾多木馬環繞的行星呢?根據科學家建立的模型,首批木馬經過恒星和我們之間,造成間斷和不規則的幹擾。之後,當行星經過恒星表時,我們首先看到行星環模糊の擋了星光,隨後是行星,造成恒星度的顯著下降,然後是另一部分行星環經過。再過大概700天,我們看到了後續的木馬。科學家們說,這就可以解釋由行星造成的相對平滑的幹擾和由木馬造成的一係列波動起伏且互相嵌套的幹擾。

如果這個模型能夠成立,那Ҁ顆巨型行星的軌道周期應該是12年。根據現有的假說,人們應該能在2021年觀測到木馬(如果它們存在的話)對塔比星度產生的幹擾,再過兩年將能夠看到行星產生的幹擾。