“WTF”星：一颗奇怪的星球

　　# 本文由 Nivy 投递译稿。
　　那里有一些神秘的东西，比如外星文明。只是我们至今也没能弄清楚。

塔比星概念图Credit: NASA/Wikimedia Commons

　　作者Sandhya Ramesh是一位天文学和地球科学方面的作家。
　　2009年5月，全球数百人注意到了一颗来自遥远星系的恒星，它和之前所见的都不同。于是他们跑到一个叫“行星猎手”的民间科学项目论坛上，对这颗恒星开展了激烈的讨论。他们研究了开普勒太空望远镜所获得的数据，这颗后来被叫作KIC 8462852的恒星，正以一种怪异的方式在闪烁。
　　太阳系外的行星探索是一个如今很活跃的天文领域。首个系外行星发现于1992年，仅仅25年后的今天，就有3500颗已确认的行星正围绕着太阳以外的恒星运转。单单NASA的开普勒太空望远镜就找到了2000多颗。它的找寻方法是在数周，数月甚至几年的时间里观察一片星空，当有行星与它的恒星重叠时，它在恒星的光芒中就投下了一片小而确定的阴影，这些阴影被记录下来，以计算行星的大小。越大的行星，阻挡的光芒就越多(“凌星”法)。
　　观测产生了大量的数据，所以天文学家们使用精心设计的计算机程序来帮助筛选系外行星的特征。程序比一群天文学家更有效率，但它也不完美，有时程序会错过一些其设计以外的事物。所以公众也加入了了天文科学研究。
　　不同身份的人都以各种方式为民间科学项目做出了贡献。有的项目通过相机捕获的图片来辨别动物。有的项目使我们可以查阅火星表面的图像以确认风型，查阅扫描和数字化的文本，甚至创建一个野生动物数据库。人脑非常擅长识别各种图案，以至于我们甚至可以看到可能不存在的图案。
　　“行星猎手”就是一个民间科学项目，帮助识别计算机可能错过的恒星光变。 截至2017年8月，有超过30万民间科学爱好者每天访问开普勒提供的数据。
　　2009年6月，天文学家Tabetha Boyajian被一些科学爱好者警告，大约1500光年以外的一颗恒星接连被用户标记为“有趣”和“奇怪”。接着，耶鲁大学博士后Boyajian和她的同事，行星猎手创始人Debra Fischer被吸引了， 她们观测的恒星看起来有些异常。 其亮度最初下降了0.5％，这是正常现象；但持续了4天之久，这完全不正常。 通常，跨越这种恒星的行星往往只会导致几个小时的恒星亮度下降。
　　这是2009年初她们第一次注意到了这些光降数据。在此几周后，KIC8462852的亮度下降持续了整整一个星期。Boyajian和Fischer花了几天时间对数据进行处理，但是KIC8462852的行为无法解释。仪器工作正常，电脑程序也没问题，数据正确。光降是真实的和莫名的。不仅持续时间长，变化方式也十分怪异。
　　当行星经过恒星前面时，由于它接近球形，当它经过恒星的圆面时，会产生对称的光变曲线。(见下图)。

Credit: NASA/Kepler Mission

　　但是，开普勒观测到的KIC8462852的曲线是不对称的。

Credit: T. Boyajian & team/MNRAS

　　普通的行星在固定的周期内环绕它们的恒星，并且在每次光变之间，它们重复出现的时间是等长的。 但不管是什么，导致KIC8462852光变都是不可预测且随机的。
　　在这之后，科学家和爱好者们持续研究这颗已经恢复正常亮度的恒星。
　　两年后的2011年3月，开普勒又一次观测到了KIC8462852的光变，并使天文学家们十分吃惊。类似木星大小的行星至多能造成这种恒星1％左右的光降。 但KIC8462852的亮度已经下降了近15％。像2009年一样，光变曲线再次是不对称的，并持续了一周之后才恢复正常。这种图案重复了几天，然后恒星再次“沉默”了。

2011年3月(Kepler观察的第792天)，KIC 8462852的光变曲线。Credit: JohnPassos/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

　　2013年2月，4月下旬，KIC 8462852再次醒来。 这一次，它发生了一系列非常不规则的光变。 虽然以前的曲线是以随机间隔进行简单的下降，但是新的数据意味着它的亮度在强度和持续时间的变化。 光变曲线也很复杂。 天文学家在较大的下降区域内发现较小的下降，甚至进一步更小。 这种分形通量的亮度在多天内被重复，并且在相同数据集内的不规则递归的形式，本身变得相当复杂。 在一个点上，恒星的亮度下降了惊人的22％。

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

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

　　2015年10月，Boyajian和她的团队一起发表了一篇名为“Where's The Flux”的论文，引发了媒体的狂热，并将这颗恒星带到了世界天文界的聚光灯下。自此KIC8462852被称为塔比星、Boyajian星以及十分贴切的——“WTF”星。
　　导致恒星光变的的天体具有非常具体的特征，具体取决于其物理特性。这种数据通常隐藏在恒星发出的光线中。如果是一片尘埃云遮挡它，会阻挡更多的蓝光。如果是不通透的固体，将阻挡所有波长的光。固体也会被加热和发光，显示在红外数据中，这也能反映该固体的种类。某些元素吸收光的某些频率，这将在光谱图中显示为空白。这种图像可用于分析确定元素种类。
　　使用他们的光谱工具，天文学家能够推断出，塔比星是和我们45亿岁的太阳(F-型主序星)一样的中年恒星。
　　鉴于所有这些信息，Boyajian和她的团队在2015年提供了几个说法来解释什么可能导致神秘的光变。
　　第一个解释不会使人惊讶：这是一个原行星盘。当一团巨大的气体在自身重力下塌陷，并开始旋转时，一个恒星系产生了。物质呈盘形散开，并转动得更快。中心的物质最密集，恒星系的主星于此形成。而一些较轻的气体和岩石，则被向外抛出，这就是原行星盘。各行星于此形成。物质团在这里各种碰撞，形成更大的团，最终和滚雪球一般形成原始行星。原行星盘中进一步被排出的气体形成壮观的气体巨行星。
　　在行星系统稳定成形之前，原行星盘要围绕恒星数百万年。在这段时候，原行星盘会导致恒星的亮度变化(如地球人所见)。
　　但是，这个理论的漏洞很大：原始行星盘是“原始”的，即只存在于新生星的周围。塔比星则不是新生星。
此外，灰尘吸收热量。哪怕当它有对人体来说的很小的温升，在红外望远镜中就会观测到发光。但NASA的斯皮策太空望远镜并没有观测到。它也排除了像两颗行星在星际空间争夺中与岩石或一颗星球相撞的轨道相撞的想法。事实上，看起来塔比星周围并没有碎片。
　　下一个解释：也许恒星本身的大小和亮度增长，然后又减了？我们确实知道有几颗这样的恒星。 天文学家称它们为变星。 可观测宇宙中最大的恒星盾牌座UY就是一个例子。 当大量的物质从行星盘落入年轻的恒星，恒星的质量和亮度突然飙升时，它们能被观测到。但是这个想法也被同样的大锤击破了：恒星不新，且没有原行星盘。
Boyajian等人的文章得出的结论是，一个路过的彗星“家族”将是最可接受的解释。 但也不太可能：为了使天文学家们看到塔比星的光变水平，必须要路过一大波如蝗虫群一般的巨型彗星。 如果要使它们存在，需要一个100公里宽的岩石体在一次爆炸中被打碎。而彗星也不会发出红外光：它们所含的的冰能够吸收热量并升华到太空。听起来不可思议，但这是唯一不能被立即驳倒的解释。
　　然而，这些想法没有一个像自然的解释那样令人信服。一年前Boyajian和宾夕法尼亚州立大学的天文学家的谈话中的三个字引发了公众的想象。

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

　　当我们寻找智慧文明时，我们寻找的就是它们存在的蛛丝马迹。寻找他们可能的造物或他们发出的信号。假设如果有外星人，比人类的历史更久，发展得更超前。那么他们可能已经耗尽了他们星球上所有的可用能源，现在正在着眼于它处。对于这样的文明来说，还有比整个恒星本身更好的能源吗？
　　在一篇1960年的论文中，物理学家弗里曼·戴森设想了一个称为戴森球的巨型结构。这是围绕一颗恒星建造的巨型壳体，内部装有太阳能装置和其他装置。戴森球几乎能吸收恒星发出的所有能量。在建造戴森球的各个阶段，这个巨型建筑先是一个带有生活区域和发电装置的环，然后是复杂环状的“气泡”，最后形成一个球体。
　　2014年，宾州州立大学立天文学家John Wright着迷于先进文明可以建设的能获取大量能源的巨型建筑。 他建议在塔比星周围寻找戴森球。所以这颗恒星也被称作是外星人的巨厦。
　　就像之前的解释一样，这个设想也存在漏洞。一颗F-型主序星的能量辐射到一个戴森球上，它肯定会被加热，但在观测数据中并没有相应的热信号。
　　Wright写过一篇关于利用开普勒望远镜观测外星大型建筑物的文章。 他认为望远镜有足够的能力来区分人造结构，如巨型太阳能板，环形星球，寻找其他外星人的大型装置等。他在2013年写了一篇关于它的博客文章。当他正在将其变为期刊文章时，Boyajian参加了宾州州立大学的讲座，并与Wright分享了未发表的光变数据。
到了下一年，Wright被这奇怪的数据所吸引，在伯克利搜寻地外文明计划(SETI ,stands for the Search for Extraterrestrial Intelligence)研究中心运营的Green Bank射电天文台预约了时间来观测塔比星。
同时，Wright及其团队在2015年12月完成的一篇关于以塔比星为例来描述外星巨型建筑的文章使媒体疯狂了。
Wright的言论慢慢传开了。2016年，世界各地不时有关于外星巨型建筑的头条。但这还只是存在于理论，天文学家并没有证实。这需要进一步的观测来证明。
　　路漫漫其修远兮。
　　在Wright提出他的设想之后，其他天文学家又提出了另外一个更可信的理论。西班牙巴伦西亚和坎塔布里亚大学的天文学家说：如果光变的原因是大型的特洛伊小行星群呢？
　　特洛伊小行星是与主行星同轨道但位置不同的小行星群，它们分布在主行星的两个拉格朗日点上。在这两个点，小行星的受到的各种引力会被抵消，使其本身始终保持原来位置。 换句话说，特洛伊小行星群将处于与恒星和行星相同的相对位置。
　　西班牙天文学家模拟了带环行星和特洛伊小行星的可能。 他们在2017年6月的preprint paper中写道：“我们的目的是通过之前观测到的信息，提供一种相对自然的解释，尽管这种行星和小行星群规模会很大。”
　　如果真的是一个五倍于木星大小的行星，且两侧带有特洛伊小行星群呢？根据科学家模拟的模型，首先有一群特洛伊小行星在塔比星和我们之间经过，导致间歇性和不规则的光变。 然后，当这颗行星经过它的恒星之前，我们首先看到行星环造成的亮度下降，然后是行星本身的巨大光变，然后是其余的行星环。 接着，在700天之后，我们观测到了另一个小行星群。 科学家说，这可以解释主行星造成相对平稳的光变，以及特洛伊小行星造成的一系列不规则的亮度下降。
　　如果模型成立，这颗超级行星的轨道周期将会是12年。正如现在所看到的那样，有兴趣的人可以期待看到特洛伊小行星(如果有)在2021年经过塔比星造成的光变，然后是两年后的行星凌星。
　　似乎一个带环行星的解释格外被科学家青睐。本月早些时候的另一篇preprint paper也提出了同样的说法：也许一个带环的行星可以解释这个现象……
　　然而，这种解释会存在一个连续的光变图案，而我们还没有观测到。
　　从2015年年底开始，SETI研究所开始从塔比星方向寻找外星文明信号。该研究所明确指出，加利福尼亚的艾伦望远镜阵列希望在塔比星的大概方向能够接收到智慧外星物种发出的包含信息的信无线电波。事实上收到信号的可能性很差。塔比星距离我们1500光年。我们现在发现的任何信号都应该在多年前被发出了。而且，如果是一个先进的文明，那么对全宇宙进行广播就没有什么意义了。他们首先会注意到我们，然后发出定向到地球的信号——辐射在两边的来回传播将会是一个3000年的漫长过程。
　　三千年前 - 即公元前985年，孔雀王朝统治了印度的大部分地区，儒家思想和古希腊文明也刚刚开始发展(译者注：实际时间有偏差：孔雀王朝，约前324年至约前185年；儒家，前5世纪由孔子创立；古希腊文明，公元前800年-公元前146年)。而他们大概能在铁器时代注意到我们。首先，他们必须预估我们需要多长时间才有足够能力接受无线电信号，他们得算好时间发出信号，直到有一天，我们终于能“听”到他们那个方向的声音。这可能性太小了。
　　艾伦望远镜阵列在其观察期间没有找到任何东西。 SETI的天文学家也在寻找无线电信号。甚至试图寻找恒星周围的激光闪烁。
　　一无所获。

位于澳大利亚南部的Faulkes望远镜，天空可见大小麦哲伦云。 Credit: LCOGT

　　这段时间，塔比星一直在稳定地变暗，不知道是啥在阻挡它的光，它正在消失，没人知道为什么。
　　天文学家要了解更多的话，保持对它的观测就很重要。但是如此的话，由政府运营的望远镜通常是被超额预订的。即使可以使用，其管理者也不愿意提供长期的观测。所以Boyajian和她的团队转向了私人天文台，如Las Cumbres天文台全球望远镜(LCOGT)网络。 它被战略性地分布在全球范围内，所以天文学家可以使用它们来持续观测同一物体(它在太空)。为了支付一年的使用费用，Boyajian在2016年5月通过Kickstarter运动筹集了107,421美元。
　　很快到了2017年。
　　业余及职业天文学家的社区受到了大量关注，他们不断观测，研究和思考塔比星。其细微的光变被精心记录和共享。
　　4月24日，在亚利桑那州费尔本天文台望远镜上发出自动警报，注意到恒星的亮度下降。 这是一个完全正常的统计波动，亮度在一周内恢复到原来的水平。 但天文学家始终保持着警惕。
　　5月14日在西班牙的麦卡托望远镜发生了类似的事件。科学家及时联系了Boyajian，但她所显示的数据仅仅是另一个统计变化。她说，“它最终成为一种假象——即不是真实的。”
　　但仅仅四天后，费尔伯恩天文台和LCOGT观察到另一个亮度下降，一个预期内的光变。第二天警报出现了。“费尔伯恩和LCO看到了同样的光降，”Boyajian说。“当天晚上我们密切监视了这颗恒星，当光变得到两座不同观测台的确认时，我们发出了警报。
　　她很兴奋，在5月19日上午4时电话告诉了Wright。费尔伯恩的数据显示，塔比星亮度已经降低了2％。Wright发推称，“警告：塔比星正在变暗，这不是演习。在接下来的48小时，请盯着望远镜，我们需要光谱数据！”几个小时之内，一小支世界各地的天文学家大军投入了战斗，并观测到其亮度又下降了1％。
　　数十个望远镜，如大金丝雀望远镜，被预约了数周到数月的时间，提前一起观测塔比星。各大望远镜加入了持续观测，包括凯克天文台(夏威夷)的两个望远镜、LCOGT和多镜面望远镜观察站(亚利桑那州)及绿堤电波望远镜。 即使是研究宇宙紫外辐射的斯威夫特太空望远镜也加入了“WTF”星观测。

该图显示了相对于恒星正常亮度的变化。 最低点是下降2％。该恒星已经从光变事件中恢复为普通亮度。 资料来源：Source: LCOGT and Tennessee State University/Centre of Excellence for Information Systems Engineering and Management/Fairborn Observatory

　　这次事件在预料之中，Tabby在2015年的文章就预言了光变的发生：“更强的预测是，未来的光变事件大概应该每750天出现一次，2015年4月份会有一次”——由于开普勒发生故障而错过了——“而在2017年5月份又有一次。”
而在预料之外的是，恒星的亮度在几天内恢复了正常，在6月13日及14日又出现了近2％的光度下降，几天后再次恢复。7月4日，其光度下降了0.5％。截止文章发表(2017/9/20)，塔比星又下降了3％的亮度。
　　下一次大型光变事件预计发生在2019年中，希望天文学家有足够的时间去思考更多的合理解释。
　　塔比星长期以来的亮度在慢慢变低，使事情进一步复杂了。它在慢慢消失。路易斯安那州立大学天文学家Bradley Schaefer决定浏览它的旧观测记录。他发现在1890年至1989年间塔比星被拍摄了超过1200次。通过这100年的数据，他发现塔比星的整体亮度下降了近20％。 还有更多对这种现象进行的研究，似乎都证实了这一点。 这个长期的变暗过程也不是稳定的。有一段时间，塔比星开始变暗，变亮，然后再开始变暗。
　　亚利桑那大学的天文学家Huan Meng最近与Boyajian一起进行了一项研究，依靠两座最新加入塔比星观测的望远镜：斯威夫特望远镜(观测X射线和紫外线)和斯皮策望远镜(红外线)。 他们发现所有波长的光都一致下降了。 然而，不同波长的下降幅度不同。Meng认为，最有可能的解释是微小粒子绕着星星(即星周圆盘)绕行。 这些微小粒子造成了塔比星长期和急剧的光变事件。但是得到一个坚实的结论仍然需要更多的研究，准确的预测和观测。 只有这样我们才能完全理解这颗独特的恒星。
　　显然有一些神秘的事情正在发生，但我们和2009年一样的一无所知。但我们一定学到了一些新东西。我们从来没有遇见过和塔比星一样令人困惑的恒星，正如Boyajian所说：“如果我们又找到一颗类似的呢？更重要的是，如果再没找到呢？”
　　本文译自  The Wire，由译者 投稿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。