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史上最诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


来源:快科技

一颗编号为KIC 8462852的遥远恒星吸引了无数人关注的目光,原因很简单,因为这颗恒星的某些行为的确十分诡异。

原标题:史上最诡异恒星:我们第一次看到了外星人?

最近被一条消息刷屏了,一颗编号为KIC 8462852的遥远恒星吸引了无数人关注的目光,原因很简单,因为这颗恒星的某些行为的确十分诡异,难以解释,容易让人产生丰富联想。

这究竟是怎么回事?

一、究竟发生了什么?

很简单,在2015年的9月份,一颗编号为KIC 8462852、距离大约1400光年、位于天鹅座的恒星出现了一些难以解释的行为,引起了科学家的关注。

但整件事情的缘起还要从开普勒项目说起。

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


开普勒望远镜的观测天区 位于天鹅座和天琴座方向,覆盖大约100平方度,在4年多时间里对该区域超过15万颗恒星进行观测

 

“开普勒”(Kepler)空间望远镜项目是美国宇航局一项旨在搜寻地球大小系外行星的项目。系外行星是指围绕其他恒星,而非太阳运行的行星。

开普勒望远镜于2009年3月7日发射升空,当年5月13日开始执行科学观测任务,对覆盖天鹅座和天琴座部分区域的部分超过15万颗恒星亮度进行精确监测,每隔30分钟获取一次数据值,每年进行超过25亿次观测。

整个观测任务一直持续将近4年时间,一直到2013年5月12日,由于第二个反应轮发生故障而结束主要观测使命。

开普勒望远镜利用凌星法观测系外行星,所谓凌星法是指通过观察行星从恒星前方的通过导致的恒星亮度短暂下降来反推行星的存在和性质。

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.2 典型凌星事件产生的恒星光变曲线。可以看到对称而光滑的光度下降曲线

 

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.3 以地球与木星为例,模拟开普勒望远镜数据点中的呈现状况。通过数据点的变化了解木星和地球的大小差异,你也会留意到地球遮挡太阳所产生的亮度下降几乎难以识别

 

开普勒望远镜观测期间获取的海量观测数据可以通过科学家们专门设计的程序自动识别可能存在的系外行星凌星事件。

这是因为典型的凌星事件导致的恒星亮度下降会存在特征性的光变曲线,比如本文图1.2所示,当行星从恒星面前经过时,恒星亮度出现下降,光度曲线上出现一个对称而光滑的下降曲线。

行星直径越大,造成的这种恒星光度下降效应也会越明显。而在实际的开普勒观测数据中,其对应表现便是亮度数值点出现的下降。

这里以地球与木星为例,模拟开普勒望远镜数据点中的呈现状况(图1.3),可以明显通过数据点的变化了解木星和地球的大小差异,当然你也会留意到,地球遮挡太阳所产生的亮度下降几乎难以识别。

一般来讲,这种就属于典型的系外行星信号,计算机程序可以自动识别。但尽管机器识别效率很高,但是科学家们还是不太放心,于是他们设计了一个名为“行星猎手”(planet hunters)的网站。

科学家们将开普勒计划采集的数据放到这个网站上,让普通民众登录查看,用肉眼识别疑似的系外行星目标。

因为人的眼睛天生具有从凌乱事物中识别模式的能力,这是计算机目前难以比拟的优势。于是数以十万计来自全世界各地的天文爱好者们开始在这个网站上识别系外行星信号。

很快他们注意到一个非常特别的信号,它的光变曲线非常特殊,在“行星猎手”网站的讨论版面上,很快出现了大量讨论,爱好者们形容KIC 8462852的光变曲线“非常诡异”、“很有趣”或者“一次巨大的凌星事件”。

正是由于其光变曲线形态非常诡异,远超出计算机算法对凌星事件标准的定义,因此计算机筛查的时候是永远不可能将其识别出来的。

这些讨论很快吸引了天文学家们的注意。美国路易斯安纳州立大学的女天文学家塔比萨·博亚金(Tabetha boyajian)对此问题进行了分析,并发表了详细的研究论文(图1.4),因此KIC 8462852也常常被叫做“塔比星”。

 

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图1.4 耶鲁大学天文学家塔比萨·博亚金在预印本网站arxiv网站上发表了相关论文

 

二、诡异的光变曲线

开普勒望远镜在2011年至2013年期间,对KIC 8462852获取了将近4年的连续数据,其中发现了多次异常的光变过程,其中有两次尤其明显,在此期间恒星亮度出现了极为显著的下降。很显然,有某种巨大的东西遮挡了恒星的光芒,但它究竟是什么呢?

 

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图1.5 塔比星的开普勒光变曲线,可以看到多次较为明显的亮度下降,其中在D800以及D1500附近有两次特别明显的亮度下降,幅度达到15~20%

 

图1.5摘自论文Boyajian, T。 S。, et al。 2016,横坐标是时间,单位是日期,纵坐标是光变幅度,用数字标识出4年间KIC 8462852出现的历次光变事件。

这里一共标出10次事件,其中大致在第788天~795天之间(2011年3月),持续将近10天的一次光变事件,其亮度下降幅度达到惊人的15%左右,而在第1510天~1570天之间(2013年2月)则频繁出现多次大幅度的亮度减低,最大幅度甚至超过22%,最长持续时间接近80天!

而参照图1.3可见,即便太阳系最大的行星,直径超过地球11倍的木星,其遮挡太阳所造成的亮度减低也就在1%左右,持续时间最多也就几小时。

这意味着什么?这意味着有某个极其巨大的物体遮挡了KIC 8462852的光芒,并且这个神秘物体的直径至少应该是地球的1000倍以上!

 

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图1.6 2011年3月期间出现的光变曲线的放大图,可以观察到这次光变曲线轮廓非常干净、光滑而陡峭,并且两侧并不对称。它的变暗过程持续将近一周时间,然后在短短几天时间里迅速恢复正常亮度

 

 

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图1.7 2013年2月期间光变曲线的局部放大图。可以看到在一段相对长的时期内连续发生多次强度不一,光变曲线形状不一的事件,似乎像是多个不同凌星物体或者独立的凌星事件相互叠加的结果

 

再看具体的几次光变事件。图1.6是2011年3月期间出现的光变曲线的放大图,可以观察到这次光变曲线轮廓非常干净、光滑而陡峭,并且两侧并不对称。它的变暗过程持续将近一周时间,然后在短短几天时间里迅速恢复正常亮度。

再参照图1.7,观察2013年2月期间光变曲线的局部放大图,可以看到在一段相对长的时期内连续发生多次强度不一,光变曲线形状不一的事件,似乎像是多个不同凌星物体或者独立的凌星事件相互叠加的结果。

且考虑到光变形状的高度不对称性,遮挡恒星光线的应该不是一个球体,而是一个形状不规则的物体,又考虑多个完全不同的光变曲线,甚至似乎这都不是一个单个的物体,而是多个不同的独立的物体?这究竟是什么?

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.7 2013年2月期间光变曲线的局部放大图。可以看到在一段相对长的时期内连续发生多次强度不一,光变曲线形状不一的事件,似乎像是多个不同凌星物体或者独立的凌星事件相互叠加的结果

 

三、可能是什么?

(一)设备故障?观测误差?

在相关论文中,研究人员对这种可能性进行了详细调查和分析,考虑所有可能情况,其结果排除了设备故障或观测误差导致这种情况的可能性,因此研究人员可以确定这一光变曲线是真实的天体物理现象导致的,而不可能是设备误差造成的结果。

(二)KIC 8462852本身是一颗变星?

当然存在这种可能性,那就是KIC 8462852本身是一颗变星,因此其亮度会出现周期性的变化。研究人员讨论了几种典型变星的形状,比如北冕座R型变星以及Be型变星。

前者是光谱型为F或G型的大质量超巨星,往往会在为期数月的周期内出现不规律的脉动性变化,持续时间数周乃至数月。这种变星的亮度变化是由于恒星周边尘埃带的缘故,导致遮蔽光球,其光变特征是陡峭的下降趋势,然后是缓慢的恢复;而后者一般是快速旋转的O或B型星,偶尔也有A型星,这种变星经常出现周期为0.5~1.5天的半周期性光变。

然而KIC 8462852的观测数据并不支持这样的假设:首先从多次光变曲线特征上看,很多都是首先出现缓慢的亮度下降,随后是快速的恢复,比如2011年3月期间出现的光变曲线,这基本与北冕座R型变星的特征相反,另外如果其周围存在尘埃带,类似恒星吸积盘结构,那么这些尘埃物质在吸收热量之后会以红外辐射的形式释放热量,这是基本的物理规律,因此我们应该会在红外波段观测到较为强烈的红外辐射,但事实并非如此。

最后,光谱观测给出的KIC 8462852表面温度数据约为6750K,显然远低于Be型恒星的表面温度,实际上,光谱特征显示这是一颗光谱型为F3V型,质量约为太阳1.43倍的主序星(我们的太阳是一颗光谱型为G2V的黄矮星)。

(三)这是一颗双星?

 

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图1.8 位于夏威夷的凯克望远镜拍摄的图像可以清晰查看到这颗疑似伴星,其与KIC 8462852之间间隔大约1.95角秒。目前还无法判断这究竟是视双星还是物理双星,后者是两颗真正由于靠的很近因而相互之间存在引力作用的双星

 

如果这是一颗双星,那么它近旁的伴星的确有可能会对KIC 8462852的光度变化产生影响,影响大小取决于伴星的大小和两者之间的距离。

观测显示,KIC 8462852附近可能存在一颗伴星。如图1.8所示,位于夏威夷的凯克望远镜拍摄的图像可以清晰查看到这颗疑似伴星,其与KIC 8462852之间间隔大约1.95角秒。

目前还无法判断这究竟是视双星还是物理双星,后者是两颗真正由于靠的很近因而相互之间存在引力作用的双星,而前者则是看上去似乎靠的很近,但其实只是视觉效果,现实中距离很远的情况,所以也叫“假双星”。

目前还难以分辨这两者孰是孰非,但有研究认为这是假双星的概率很低,不超过1%。

如果这是一颗真的伴星,那么其距离就与KIC 8462852基本一致。

据此我们可以推算一系列参数:这应该是一颗光谱性为M2V,质量大约0.4倍太阳质量的红矮星,测光分析数据也支持这一结果。

但考虑到其暗弱得多的光度,计算认为其对KIC 8462852光变曲线的变化影响不会超过3%,不可能造成如此显著的变化。

(四)撞击事件?尘埃云团?

 

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图1.9 塔比星附近的行星撞击事件?要知道,主流理论认为,我们的月球就是这样形成的

 

 

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图1.10 原始行星尘埃盘?但是红外波段的观测似乎并不支持这一说法

 

一种可能是这颗恒星周围的小行星带内发生了天体碰撞(图1.9,图1.10),或者行星本身发生了严重的撞击事件,就像太阳系内最初形成月球的那种大型撞击事件。

这些大规模撞击过程中产生的大量尘埃迅速扩散,遮蔽光线。再或者不必牵涉撞击事件,就是有行星系形成初期遗留的尘埃云团直接在洛希极限范围内近距离围绕恒星运行。

洛希极限是一个极限范围,在该范围内天体的引潮力很强烈,一般小天体进入后会被撕碎,相反,在这一范围内存在的尘埃云也将很难聚集形成新的天体。

但这类假设也存在严重的问题,其中最关键的便是前文中提及的尘埃物质的红外出超问题,红外波段的观测数据与这一理论假设的情况不相符合。

(五)大群的系外彗星?

 

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图1.11 大群系外彗星?如果果真如此,那么这些彗星物质的质量将会高达谷神星的0.3%左右,根据彗星的普遍密度估算,这些物质能够形成一个直径大约100公里的球体

 

上世纪80~90年代开始,科学家们就已经观察到在其他恒星周围可能和太阳系内一样,存在“系外彗星”。因此完全不能排除这样一种情况,那就是有大群的彗星,大大小小不同的碎块造成了深深浅浅不同的光度减低现象(图1.11)。

然而这里存在着一个比较明显的问题,那就是由于彗星都是头朝前尾巴朝后,因此在光变曲线上应该是首先出现较为陡峭的下降(彗头),而后紧跟着较为平缓的回升(彗尾)。

但从前面的光变曲线上看,情况似乎是相反的?但即便有这样的问题,也的确有论文提到过彗尾朝向前进方向的特殊“彗星”,只是这类彗星彗尾中的物质颗粒必须比较大,以便抵御太阳风的压力以及辐射压。

如果果真如此,这种奇特的光变现象与系外彗星有关,那么这些彗星物质的质量将会高达谷神星的0.3%左右,根据彗星的普遍密度估算,这些物质能够形成一个直径大约100公里的球体。

研究人员设想这些彗星体可能受到附近其他恒星引力的扰动,导致其抵达距离恒星较近的位置上。而前文中也已经提到,KIC 8462852附近的确可能存在一颗质量较小的恒星。

(六)外星智慧文明与戴森球?

这一异常情况发布之后,很快引起了人们的关注。有科学家开始提出,如果所有的自然原因解释都或多或少存在问题,那么有一种可能性或许就并非完全不可能,那就是外星智慧文明。说的更具体一些,这是我们首次目睹一个真实的戴森球吗?

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.12 戴森球是美国物理学家弗里曼·戴森最早在1960年在一篇论文中提出的概念,他认为,随着工业和社会发展,一个智慧文明对于能源的需求将极大增加,而随着技术进步,最终它们将能够控制整个恒星的能量

 

戴森球是美国物理学家弗里曼·戴森最早在1960年在一篇论文中提出的概念,他认为,随着工业和社会发展,一个智慧文明对于能源的需求将极大增加,而随着技术进步,最终它们将能够控制整个恒星的能量。

其方式是建造巨大的结构体,将整个恒星包裹起来,从而采集其全部向外辐射的能量(图1.12)。相比之下,地球接收到的太阳辐射量大约只能占到太阳对外辐射总量的20亿分之一。

大约在同一时期,苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了宇宙文明的等级理论(Kardashev scale),这一等级理论将宇宙间的文明按照对能源的掌控与采集能力分为三个等级,作为一种衡量技术先进性的指标。按照这一标准:

I型文明:行星文明,有能力采集并储存所有抵达其所在行星的太阳辐射;

II型文明:有能力采集其所围绕运行的恒星所释放出的全部能量;

III型文明:有能力采集整个星系的全部能量;

当前地球文明的技术等级还远未达到I型文明标准,而弗里曼·戴森所提议的戴森球常常就被认为是II型技术文明的代表性特征之一。

如果这的确是我们首次目睹一个戴森球,为什么还能看到恒星本身?不应该被整个遮蔽起来了吗?或许还没建成,我们看到的是一个戴森球的“建设工地”,整个建筑才完工了很小的一部分。如果果真如此,那么我们就是在仰视一个在技术上遥遥领先于我们的II型技术文明。

但是正如美国天文学家卡尔·萨根所言:非同凡响的说法需要非同凡响的证明——如此重大的设想,我们需要找到非常确凿的证据才行。

“搜寻地外智慧文明组织”(SETI)在KIC 8462852的消息披露之后对这颗恒星方向进行了监听,但是并没有什么收获。

另外,如果这的确是一个人工建筑,那么同样的,在接收大量恒星辐射之后它应该会有红外波段的强烈辐射产生,但美国宇航局的“广域红外空间望远镜”(WISE)和“斯皮策空间望远镜”在红外波段的监测结果都没有观测到任何明显的红外辐射出超。

当然II型文明可能拥有了某种控制辐射或者辐射方向的技术能力,因此我们不能检测到红外波段的强辐射。

四、最新进展

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.13 2017年5月份,塔比萨·博亚金在推特上表示利用0.4米口径的LCO望远镜进行的观测显示,KIC 8462852再次出现了预期中的亮度下降

 

在经历漫长的沉寂期之后,2017年5月份,塔比萨·博亚金在推特上表示利用0.4米口径的LCO望远镜进行的观测显示,KIC 8462852再次出现了预期中的亮度下降(图1.13)。全球各地的大型望远镜都对这一情况安排了观测时间,其中也安排了很多高分辨率光谱观测任务。

另外,引起很多人注意的是前两天刚刚由几位西班牙天文学家发布了一篇论文,提出了关于KIC 8462852奇异光变性质的一种全新解释,目前看来还是非常有希望的,并且他们的理论可贵之处还在于可验证,他们在文章里提出了预言,从而可以通过观测进行检验(图1.14)。

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.14 前两天刚刚由几位西班牙天文学家发布了一篇论文,提出了关于KIC 8462852奇异光变性质的一种全新解释,目前看来还是非常有希望的,并且他们的理论可贵之处还在于可验证

 

相比之前的一些理论,不管是系外彗星还是戴森球,甚至博亚金还开玩笑的设想过星际战争造成大量星球碎片的可能性,这些听上去都是有些令人难以置信的感觉。

但是这个西班牙小组提出的理论相当简洁,并且涉及的都是我们非常熟悉的天体。

该小组提出的设想是:我们所目睹的可能是KIC 8462852周围一个巨大且带有稍稍倾斜光环的行星(半径超过木星5倍)以及在其轨道上存在的两团特洛伊小行星群。

根据该设想,行星体本身能够造成KIC 8462852光变曲线中的第一次明显下降,且光环结构能够解释其光变曲线的不对称性;第二次下降涉及大量复杂的亮度变化,这可能是由特洛伊小行星群导致的综合效应(图1.15)。

 

诡异恒星:我们第一次看到了外星人?


图1.15 该小组提出的设想是:我们所目睹的可能是KIC 8462852周围一个巨大且带有稍稍倾斜光环的行星(半径超过木星5倍)以及在其轨道上存在的两团特洛伊小行星群

 

他们的计算显示这个巨大行星的轨道周期大约12年,距离恒星大约6AU(AU为天文单位,1AU大约相当于一个日地距离,相比之下,木星轨道的平均距离约为5AU)。

另外,他们的理论能够做出预测:研究组预测在第4430天(~2021年2月份)将再次开始出现亮度下降。因为根据这一模型,在2021年年初,位于第4拉格朗日点的特洛伊小行星群将开始通过恒星前方,从而开始发生类似2013年2月那种复杂的亮度变化。而在两年后,在2023年上半年,将重复类似2011年3月的那种简单光变,这是因为行星本体此时开始通过恒星前方。

KIC 8462852的特殊行为吸引了全世界科学家和爱好者们的热烈探讨,不管其本质最终被证明如何,但至少它启发了很多人去思考。另外,如果没有无数志愿者们的努力和付出,KIC 8462852将注定淹没在海量的数据中,永远不可能被注意到。

它彰显了这样一个事实:在现代天文学飞速发展,天文学研究变得越来越专业化的今天,作为平凡的普通大众,我们仍然有可能做出不平凡的伟大发现。

 

 

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