“WTF”星:一顆奇怪的星球

類別: 新奇
投稿@ 2017.09.25 , 23:20
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“WTF”星:一顆奇怪的星球

# 本文由Nivy投遞譯稿。

那裡有一些神祕的東西,比如外星文明。只是我們至今也沒能弄清楚。

“WTF”星:一顆奇怪的星球
塔比星概念圖Credit: NASA/Wikimedia Commons

作者Sandhya Ramesh是一位天文學和地球科學方面的作家。

2009年5月,全球數百人注意到了一顆來自遙遠星系的恆星,它和之前所見的都不同。於是他們跑到一個叫“行星獵手”的民間科學專案論壇上,對這顆恆星開展了激烈的討論。他們研究了開普勒太空望遠鏡所獲得的資料,這顆後來被叫作KIC 8462852的恆星,正以一種怪異的方式在閃爍。

太陽系外的行星探索是一個如今很活躍的天文領域。首個系外行星發現於1992年,僅僅25年後的今天,就有3500顆已確認的行星正圍繞著太陽以外的恆星運轉。單單NASA的開普勒太空望遠鏡就找到了2000多顆。它的找尋方法是在數週,數月甚至幾年的時間裡觀察一片星空,當有行星與它的恆星重疊時,它在恆星的光芒中就投下了一片小而確定的陰影,這些陰影被記錄下來,以計算行星的大小。越大的行星,阻擋的光芒就越多(“凌星”法)。

觀測產生了大量的資料,所以天文學家們使用精心設計的計算機程式來幫助篩選系外行星的特徵。程式比一群天文學家更有效率,但它也不完美,有時程式會錯過一些其設計以外的事物。所以公眾也加入了了天文科學研究。

不同身份的人都以各種方式為民間科學專案做出了貢獻。有的專案通過相機捕獲的圖片來辨別動物。有的專案使我們可以查閱火星表面的影象以確認風型,查閱掃描和數字化的文字,甚至建立一個野生動物資料庫。人腦非常擅長識別各種圖案,以至於我們甚至可以看到可能不存在的圖案。

“行星獵手”就是一個民間科學專案,幫助識別計算機可能錯過的恆星光變。 截至2017年8月,有超過30萬民間科學愛好者每天訪問開普勒提供的資料。

2009年6月,天文學家Tabetha Boyajian被一些科學愛好者警告,大約1500光年以外的一顆恆星接連被使用者標記為“有趣”和“奇怪”。接著,耶魯大學博士後Boyajian和她的同事,行星獵手創始人Debra Fischer被吸引了, 她們觀測的恆星看起來有些異常。 其亮度最初下降了0.5%,這是正常現象;但持續了4天之久,這完全不正常。 通常,跨越這種恆星的行星往往只會導致幾個小時的恆星亮度下降。

這是2009年初她們第一次注意到了這些光降資料。在此幾周後,KIC8462852的亮度下降持續了整整一個星期。Boyajian和Fischer花了幾天時間對資料進行處理,但是KIC8462852的行為無法解釋。儀器工作正常,電腦程式也沒問題,資料正確。光降是真實的和莫名的。不僅持續時間長,變化方式也十分怪異。

當行星經過恆星前面時,由於它接近球形,當它經過恆星的圓面時,會產生對稱的光變曲線。(見下圖)。

“WTF”星:一顆奇怪的星球
Credit: NASA/Kepler Mission

但是,開普勒觀測到的KIC8462852的曲線是不對稱的。

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Credit: T. Boyajian & team/MNRAS

普通的行星在固定的週期內環繞它們的恆星,並且在每次光變之間,它們重複出現的時間是等長的。 但不管是什麼,導致KIC8462852光變都是不可預測且隨機的。

在這之後,科學家和愛好者們持續研究這顆已經恢復正常亮度的恆星。

兩年後的2011年3月,開普勒又一次觀測到了KIC8462852的光變,並使天文學家們十分吃驚。類似木星大小的行星至多能造成這種恆星1%左右的光降。 但KIC8462852的亮度已經下降了近15%。像2009年一樣,光變曲線再次是不對稱的,並持續了一週之後才恢復正常。這種圖案重複了幾天,然後恆星再次“沉默”了。

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2011年3月(Kepler觀察的第792天),KIC 8462852的光變曲線。Credit: JohnPassos/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

2013年2月,4月下旬,KIC 8462852再次醒來。 這一次,它發生了一系列非常不規則的光變。 雖然以前的曲線是以隨機間隔進行簡單的下降,但是新的資料意味著它的亮度在強度和持續時間的變化。 光變曲線也很複雜。 天文學家在較大的下降區域內發現較小的下降,甚至進一步更小。 這種分形通量的亮度在多天內被重複,並且在相同資料集內的不規則遞迴的形式,本身變得相當複雜。 在一個點上,恆星的亮度下降了驚人的22%。

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3013年2月光變。 Credit: JohnPassos/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

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2013年4月光變。 Credit: JohnPassos/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

2015年10月,Boyajian和她的團隊一起發表了一篇名為“Where's The Flux”的論文,引發了媒體的狂熱,並將這顆恆星帶到了世界天文界的聚光燈下。自此KIC8462852被稱為塔比星、Boyajian星以及十分貼切的——“WTF”星。

導致恆星光變的的天體具有非常具體的特徵,具體取決於其物理特性。這種資料通常隱藏在恆星發出的光線中。如果是一片塵埃雲遮擋它,會阻擋更多的藍光。如果是不通透的固體,將阻擋所有波長的光。固體也會被加熱和發光,顯示在紅外資料中,這也能反映該固體的種類。某些元素吸收光的某些頻率,這將在光譜圖中顯示為空白。這種影象可用於分析確定元素種類。

使用他們的光譜工具,天文學家能夠推斷出,塔比星是和我們45億歲的太陽(F-型主序星)一樣的中年恆星。

鑑於所有這些資訊,Boyajian和她的團隊在2015年提供了幾個說法來解釋什麼可能導致神祕的光變。

第一個解釋不會使人驚訝:這是一個原行星盤。當一團巨大的氣體在自身重力下塌陷,並開始旋轉時,一個恆星系產生了。物質呈盤形散開,並轉動得更快。中心的物質最密集,恆星系的主星於此形成。而一些較輕的氣體和岩石,則被向外丟擲,這就是原行星盤。各行星於此形成。物質團在這裡各種碰撞,形成更大的團,最終和滾雪球一般形成原始行星。原行星盤中進一步被排出的氣體形成壯觀的氣體巨行星。

在行星系統穩定成形之前,原行星盤要圍繞恆星數百萬年。在這段時候,原行星盤會導致恆星的亮度變化(如地球人所見)。

但是,這個理論的漏洞很大:原始行星盤是“原始”的,即只存在於新生星的周圍。塔比星則不是新生星。
此外,灰塵吸收熱量。哪怕當它有對人體來說的很小的溫升,在紅外望遠鏡中就會觀測到發光。但NASA的斯皮策太空望遠鏡並沒有觀測到。它也排除了像兩顆行星在星際空間爭奪中與岩石或一顆星球相撞的軌道相撞的想法。事實上,看起來塔比星周圍並沒有碎片。

下一個解釋:也許恆星本身的大小和亮度增長,然後又減了?我們確實知道有幾顆這樣的恆星。 天文學家稱它們為變星。 可觀測宇宙中最大的恆星盾牌座UY就是一個例子。 當大量的物質從行星盤落入年輕的恆星,恆星的質量和亮度突然飆升時,它們能被觀測到。但是這個想法也被同樣的大錘擊破了:恆星不新,且沒有原行星盤。
Boyajian等人的文章得出的結論是,一個路過的彗星“家族”將是最可接受的解釋。 但也不太可能:為了使天文學家們看到塔比星的光變水平,必須要路過一大波如蝗蟲群一般的巨型彗星。 如果要使它們存在,需要一個100公里寬的岩石體在一次爆炸中被打碎。而彗星也不會發出紅外光:它們所含的的冰能夠吸收熱量並昇華到太空。聽起來不可思議,但這是唯一不能被立即駁倒的解釋。

然而,這些想法沒有一個像自然的解釋那樣令人信服。一年前Boyajian和賓夕法尼亞州立大學的天文學家的談話中的三個字引發了公眾的想象。

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戴森球示意圖 Credit: capnhack/Wikispaces, CC BY-SA 3.0

當我們尋找智慧文明時,我們尋找的就是它們存在的蛛絲馬跡。尋找他們可能的造物或他們發出的訊號。假設如果有外星人,比人類的歷史更久,發展得更超前。那麼他們可能已經耗盡了他們星球上所有的可用能源,現在正在著眼於它處。對於這樣的文明來說,還有比整個恆星本身更好的能源嗎?

在一篇1960年的論文中,物理學家弗里曼·戴森設想了一個稱為戴森球的巨型結構。這是圍繞一顆恆星建造的巨型殼體,內部裝有太陽能裝置和其他裝置。戴森球幾乎能吸收恆星發出的所有能量。在建造戴森球的各個階段,這個巨型建築先是一個帶有生活區域和發電裝置的環,然後是複雜環狀的“氣泡”,最後形成一個球體。

2014年,賓州州立大學立天文學家John Wright著迷於先進文明可以建設的能獲取大量能源的巨型建築。 他建議在塔比星周圍尋找戴森球。所以這顆恆星也被稱作是外星人的巨廈。

就像之前的解釋一樣,這個設想也存在漏洞。一顆F-型主序星的能量輻射到一個戴森球上,它肯定會被加熱,但在觀測資料中並沒有相應的熱訊號。

Wright寫過一篇關於利用開普勒望遠鏡觀測外星大型建築物的文章。 他認為望遠鏡有足夠的能力來區分人造結構,如巨型太陽能板,環形星球,尋找其他外星人的大型裝置等。他在2013年寫了一篇關於它的部落格文章。當他正在將其變為期刊文章時,Boyajian參加了賓州州立大學的講座,並與Wright分享了未發表的光變資料。
到了下一年,Wright被這奇怪的資料所吸引,在伯克利搜尋地外文明計劃(SETI ,stands for the Search for Extraterrestrial Intelligence)研究中心運營的Green Bank射電天文臺預約了時間來觀測塔比星。
同時,Wright及其團隊在2015年12月完成的一篇關於以塔比星為例來描述外星巨型建築的文章使媒體瘋狂了。
Wright的言論慢慢傳開了。2016年,世界各地不時有關於外星巨型建築的頭條。但這還只是存在於理論,天文學家並沒有證實。這需要進一步的觀測來證明。

路漫漫其修遠兮。

在Wright提出他的設想之後,其他天文學家又提出了另外一個更可信的理論。西班牙巴倫西亞和坎塔布里亞大學的天文學家說:如果光變的原因是大型的特洛伊小行星群呢?

特洛伊小行星是與主行星同軌道但位置不同的小行星群,它們分佈在主行星的兩個拉格朗日點上。在這兩個點,小行星的受到的各種引力會被抵消,使其本身始終保持原來位置。 換句話說,特洛伊小行星群將處於與恆星和行星相同的相對位置。

西班牙天文學家模擬了帶環行星和特洛伊小行星的可能。 他們在2017年6月的preprint paper中寫道:“我們的目的是通過之前觀測到的資訊,提供一種相對自然的解釋,儘管這種行星和小行星群規模會很大。”

如果真的是一個五倍於木星大小的行星,且兩側帶有特洛伊小行星群呢?根據科學家模擬的模型,首先有一群特洛伊小行星在塔比星和我們之間經過,導致間歇性和不規則的光變。 然後,當這顆行星經過它的恆星之前,我們首先看到行星環造成的亮度下降,然後是行星本身的巨大光變,然後是其餘的行星環。 接著,在700天之後,我們觀測到了另一個小行星群。 科學家說,這可以解釋主行星造成相對平穩的光變,以及特洛伊小行星造成的一系列不規則的亮度下降。

如果模型成立,這顆超級行星的軌道週期將會是12年。正如現在所看到的那樣,有興趣的人可以期待看到特洛伊小行星(如果有)在2021年經過塔比星造成的光變,然後是兩年後的行星凌星。

似乎一個帶環行星的解釋格外被科學家青睞。本月早些時候的另一篇preprint paper也提出了同樣的說法:也許一個帶環的行星可以解釋這個現象……

然而,這種解釋會存在一個連續的光變圖案,而我們還沒有觀測到。

從2015年年底開始,SETI研究所開始從塔比星方向尋找外星文明訊號。該研究所明確指出,加利福尼亞的艾倫望遠鏡陣列希望在塔比星的大概方向能夠接收到智慧外星物種發出的包含資訊的信無線電波。事實上收到訊號的可能性很差。塔比星距離我們1500光年。我們現在發現的任何訊號都應該在多年前被髮出了。而且,如果是一個先進的文明,那麼對全宇宙進行廣播就沒有什麼意義了。他們首先會注意到我們,然後發出定向到地球的訊號——輻射在兩邊的來回傳播將會是一個3000年的漫長過程。

三千年前 - 即公元前985年,孔雀王朝統治了印度的大部分地區,儒家思想和古希臘文明也剛剛開始發展(譯者注:實際時間有偏差:孔雀王朝,約前324年至約前185年;儒家,前5世紀由孔子創立;古希臘文明,公元前800年-公元前146年)。而他們大概能在鐵器時代注意到我們。首先,他們必須預估我們需要多長時間才有足夠能力接受無線電訊號,他們得算好時間發出訊號,直到有一天,我們終於能“聽”到他們那個方向的聲音。這可能性太小了。

艾倫望遠鏡陣列在其觀察期間沒有找到任何東西。 SETI的天文學家也在尋找無線電訊號。甚至試圖尋找恆星周圍的鐳射閃爍。

一無所獲。

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位於澳大利亞南部的Faulkes望遠鏡,天空可見大小麥哲倫雲。 Credit: LCOGT

這段時間,塔比星一直在穩定地變暗,不知道是啥在阻擋它的光,它正在消失,沒人知道為什麼。

天文學家要了解更多的話,保持對它的觀測就很重要。但是如此的話,由政府運營的望遠鏡通常是被超額預訂的。即使可以使用,其管理者也不願意提供長期的觀測。所以Boyajian和她的團隊轉向了私人天文臺,如Las Cumbres天文臺全球望遠鏡(LCOGT)網路。 它被戰略性地分佈在全球範圍內,所以天文學家可以使用它們來持續觀測同一物體(它在太空)。為了支付一年的使用費用,Boyajian在2016年5月通過Kickstarter運動籌集了107,421美元。

很快到了2017年。

業餘及職業天文學家的社群受到了大量關注,他們不斷觀測,研究和思考塔比星。其細微的光變被精心記錄和共享。

4月24日,在亞利桑那州費爾本天文臺望遠鏡上發出自動警報,注意到恆星的亮度下降。 這是一個完全正常的統計波動,亮度在一週內恢復到原來的水平。 但天文學家始終保持著警惕。

5月14日在西班牙的麥卡托望遠鏡發生了類似的事件。科學家及時聯絡了Boyajian,但她所顯示的資料僅僅是另一個統計變化。她說,“它最終成為一種假象——即不是真實的。”

但僅僅四天後,費爾伯恩天文臺和LCOGT觀察到另一個亮度下降,一個預期內的光變。第二天警報出現了。“費爾伯恩和LCO看到了同樣的光降,”Boyajian說。“當天晚上我們密切監視了這顆恆星,當光變得到兩座不同觀測臺的確認時,我們發出了警報。

她很興奮,在5月19日上午4時電話告訴了Wright。費爾伯恩的資料顯示,塔比星亮度已經降低了2%。Wright發推稱,“警告:塔比星正在變暗,這不是演習。在接下來的48小時,請盯著望遠鏡,我們需要光譜資料!”幾個小時之內,一小支世界各地的天文學家大軍投入了戰鬥,並觀測到其亮度又下降了1%。

數十個望遠鏡,如大金絲雀望遠鏡,被預約了數週到數月的時間,提前一起觀測塔比星。各大望遠鏡加入了持續觀測,包括凱克天文臺(夏威夷)的兩個望遠鏡、LCOGT和多鏡面望遠鏡觀察站(亞利桑那州)及綠堤電波望遠鏡。 即使是研究宇宙紫外輻射的斯威夫特太空望遠鏡也加入了“WTF”星觀測。

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該圖顯示了相對於恆星正常亮度的變化。 最低點是下降2%。該恆星已經從光變事件中恢復為普通亮度。 資料來源:Source: LCOGT and Tennessee State University/Centre of Excellence for Information Systems Engineering and Management/Fairborn Observatory

這次事件在預料之中,Tabby在2015年的文章就預言了光變的發生:“更強的預測是,未來的光變事件大概應該每750天出現一次,2015年4月份會有一次”——由於開普勒發生故障而錯過了——“而在2017年5月份又有一次。”
而在預料之外的是,恆星的亮度在幾天內恢復了正常,在6月13日及14日又出現了近2%的光度下降,幾天後再次恢復。7月4日,其光度下降了0.5%。截止文章發表(2017/9/20),塔比星又下降了3%的亮度。

下一次大型光變事件預計發生在2019年中,希望天文學家有足夠的時間去思考更多的合理解釋。

塔比星長期以來的亮度在慢慢變低,使事情進一步複雜了。它在慢慢消失。路易斯安那州立大學天文學家Bradley Schaefer決定瀏覽它的舊觀測記錄。他發現在1890年至1989年間塔比星被拍攝了超過1200次。通過這100年的資料,他發現塔比星的整體亮度下降了近20%。 還有更多對這種現象進行的研究,似乎都證實了這一點。 這個長期的變暗過程也不是穩定的。有一段時間,塔比星開始變暗,變亮,然後再開始變暗。

亞利桑那大學的天文學家Huan Meng最近與Boyajian一起進行了一項研究,依靠兩座最新加入塔比星觀測的望遠鏡:斯威夫特望遠鏡(觀測X射線和紫外線)和斯皮策望遠鏡(紅外線)。 他們發現所有波長的光都一致下降了。 然而,不同波長的下降幅度不同。Meng認為,最有可能的解釋是微小粒子繞著星星(即星周圓盤)繞行。 這些微小粒子造成了塔比星長期和急劇的光變事件。但是得到一個堅實的結論仍然需要更多的研究,準確的預測和觀測。 只有這樣我們才能完全理解這顆獨特的恆星。

顯然有一些神祕的事情正在發生,但我們和2009年一樣的一無所知。但我們一定學到了一些新東西。我們從來沒有遇見過和塔比星一樣令人困惑的恆星,正如Boyajian所說:“如果我們又找到一顆類似的呢?更重要的是,如果再沒找到呢?”

本文譯自The Wire,由譯者投稿基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

“WTF”星:一顆奇怪的星球原文請看這裡