天文太空

神秘恆星光之變

科學家從克卜勒太空望遠鏡的觀測資料中發現一顆怪異的恆星,亮度變化相當不尋常,這不一定是外星科技的傑作,但是目前提出的幾種理論都難以解釋清楚。

撰文/卡迪耶(Kimberly Cartier)、萊特(Jason T. Wright)
翻譯/宋宜真

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神秘恆星光之變

科學家從克卜勒太空望遠鏡的觀測資料中發現一顆怪異的恆星,亮度變化相當不尋常,這不一定是外星科技的傑作,但是目前提出的幾種理論都難以解釋清楚。

撰文/卡迪耶(Kimberly Cartier)、萊特(Jason T. Wright)
翻譯/宋宜真


2014年的秋天,樹葉漸漸由綠轉黃,泰比達.博亞吉安(Tabetha Boyajian)在一個安靜的午後造訪了美國賓州州立大學天文系,向我們分享她不尋常的發現。在這個萬物變換的時節,這次會面也改變了我們所有人的研究生涯。


博亞吉安在耶魯大學擔任博士後研究員期間,從美國航太總署(NASA)搜尋系外行星的克卜勒太空望遠鏡的觀測資料中,發現一顆恆星的亮度變化難以解釋。這個變化並不像行星穿過母恆星和望遠鏡之間所造成,而她也排除望遠鏡零件故障等可能造成恆星亮度變化的原因,因此她來這裡尋找新想法。萊特(作者之一)提出非常不正統的建議:或許,這顆恆星的亮度變化起因是外星科技。


1960年代,物理學家戴森(Freeman Dyson)曾經假設,渴求大量能源的先進外星文明,可能以「戴森球」(Dyson sphere)這種太陽能收集器包覆他們的恆星。那麼,這顆亮度降低的恆星會不會就是外星文明並非科幻的第一項證據?這荒誕的想法是科學家的最後一搏,但是我們暫時不會放棄這個假設。


這顆恆星(現正式稱為「博亞吉安星」,小名「泰比星」)的不尋常亮度變化難倒了博亞吉安,也迷惑了其他天文學家以及一般大眾。博亞吉安星之謎就和所有巨大謎團一樣,可能的解答似乎無限多,卻沒有一個能完全解釋觀測到的奇特現象。不論真正原因為何,可能都超出目前已知的天文知識。


克卜勒資料中發現的怪現象

在克卜勒太空望遠鏡於2009年升空之前,大多數行星獵人只能逐一找出新的系外行星(繞行其他恆星的行星),就像釣手把魚一條條從海裡拉上來。克卜勒太空望遠鏡如同拖網漁船,一次撈出上千個系外新世界。

克卜勒太空望遠鏡在四年內不斷觀測銀河系一小塊區域中的恆星,尋找「行星凌星」的現象,也就是當行星正好橫過母恆星前方時,擋住了恆星照射到地球的部份星光。若按照時間標示恆星亮度,便可以繪製出光變曲線。

如果沒有凌星現象,光變曲線是一條平坦直線;要是發生行星凌星,曲線會出現U形下降,並且隨著繞行行星以固定週期遮住星光而重複出現。亮度降低持續的時間、時機,以及幅度,會透露出繞行行星的大小和溫度等資訊。

克卜勒太空望遠鏡監測超過15萬顆恆星,但只有一顆的光變曲線難以解釋,那就是KIC 8462852(克卜勒目錄編號)。首先注意到這顆恆星的是公民科學計畫「行星獵人」(Planet Hunters)的成員,他們在克卜勒觀測資料中搜尋是否有被天文學家的獵星演算法忽略的凌星現象。

KIC 8462852的亮度變化類似凌星的下降曲線,但是週期雜亂無章:有些持續數小時,有些則長達數日或數個星期;有時亮度降低約1%(這已是系外行星凌星所能達到的最大比率),有時卻降低達20%(參見40頁〈謎樣的光變模式〉)。目前天文學家還不知道,哪個行星系統能夠呈現如此極端並且多變的光變曲線。

行星獵人計畫的公民科學家對此現象感到困惑,於是便通報負責該計畫的團隊成員博亞吉安。2016年,他們把這顆恆星及其神秘現象發表在同儕審查的期刊上,副標題定為「星光去哪裡了?」(Where’s the Flux?),因此博亞吉安稱KIC 8462852為「WTF恆星」(什麼鬼恆星)。


怪現象接二連三

博亞吉安星帶來的驚奇不只這些。在博亞吉安發表那篇WTF的論文之後,美國路易斯安那州立大學的天文學家雪佛(Bradley Schaefer)宣稱,根據資料庫中的觀測資料,博亞吉安星的亮度在過去一個世紀已經下降了至少15%。

這份聲明備受爭議,因為恆星幾乎不可能在數十年內逐漸變暗。恆星誕生後會維持相同亮度達數十億年,直到死前亮度才會迅速變化。但所謂「迅速」變化,也是以數百萬年(而非數十億年)計,並且伴隨特定現象,而博亞吉安星都沒有顯現這些變化。

根據其他團隊的觀測結果,博亞吉安星是顆平凡無奇的中年恆星,沒有任何觀測證據顯示它是一顆規律發出脈衝波的變星,也沒有跡象顯示它從伴星吸積物質,更觀測不到任何不尋常的磁場活動。因此,沒有理由推測博亞吉安星是一顆形成中的年輕恆星;也就是說,上述亮度迅速改變的解釋全遭到排除。事實上,這顆恆星除了亮度不尋常降低,其他方面與一顆平凡無奇的恆星無異。

不過,當天文學家蒙特德(Benjamin T. Montet)和西蒙(Joshua D. Simon)重新檢視原始資料,也就是較不為人知的克卜勒校準資料時,雪佛的聲明根本算不上什麼。他們發現,在克卜勒太空望遠鏡執行觀測任務這四年內,博亞吉安星的亮度衰減了3%,這和光變曲線短期下降一樣不尋常。

現在,我們必須解釋兩種令人難以置信的現象:博亞吉安星的亮度至少在四年內(甚至整個世紀)逐漸降低,以及光變曲線在短短數日到數星期內大幅不規則下降。天文學家希望能為這兩種現象找到單一解釋,但要解釋其中一種現象都很困難,想要同時解釋兩者更是難上加難。

解釋很多,卻都不具說服力

在此,我們討論幾種常用來解釋博亞吉安星奇怪現象的假設,例如氣體和塵埃盤、彗星、星際介質與雲氣、恆星內部變化、黑洞與外星文明。我們會評斷每種假設的解釋效力,並對該假設是否正確的機率提出主觀評估。


‧氣體和塵埃盤

博亞吉安星光變曲線的不規則下降以及亮度長時間降低的現象,在其他恆星也會出現,例如周圍仍有行星正在形成的年輕恆星。圍繞著這類恆星的氣體和塵埃盤受到星光加熱,塵埃盤會形成行星、團塊、環狀和弓狀物等。若從塵埃盤側邊看過去,這些物體可能使星光暫時變暗,擺動不定的塵埃盤也可能在數十或數百年間遮掩不斷變亮的恆星。

然而,博亞吉安星是一顆中年而非年輕的恆星,顯然沒有塵埃盤。如果有塵埃盤,它會像有溫度的物體一樣發出額外的紅外幅射,但在博亞吉安星觀測不到紅外過量(infrared excess)。這可能是稀薄的氣體和塵埃呈環狀廣泛分佈在恆星周圍,沒有大量的紅外過量,卻足以擋住射向地球的光線。然而,天文學家從未在博亞吉安星這類中年恆星周圍觀測到氣體和塵埃環。這種假設要成立,必須包含前所未見的現象,因此,我們判斷這種假設「非常不可能」。

‧成群彗星

博亞吉安最初假設,可能有成群的大型彗星飛掠而遮掩了博亞吉安星。畢竟,彗星沿極為狹長的橢圓軌道繞行,大部份時間都不會出現在母恆星附近。這確實有可能造成恆星不規則變暗,但問題是無法在母恆星附近偵測到熱能。當彗星接近博亞吉安星時,溫度應該會上升,遠離時溫度迅速下降。因此,當光變曲線下降時,應該偵測得到紅外過量。然而,我們沒有偵測到任何紅外過量,不過這也合理,畢竟數年前的亮度降低若是彗星所致,這群彗星也早已遠離、冷卻,不會留下任何可供偵測的熱能。即使如此,倘若恆星長期漸暗的神秘現象也是由這群彗星造成,這群彗星一定非常龐大,必定會有紅外過量。但這些也都偵測不到。

因此,我們判斷彗星看似可以解釋亮度降低,卻極不可能解釋恆星長期漸暗現象。我們可以反推,如果長期漸暗不是彗星造成,那麼短期亮度降低的來源可能也不是彗星。


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