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

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


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。


‧星際介質或太陽系雲氣


星際空間中的大量氣體和塵埃會減弱星光。或許克卜勒太空望遠鏡在繞行太陽時,視線正好通過橫亙其間的雲氣或緻密物質網,而擋住部份星光。這類雲氣的密度可能呈現梯度分佈,長時間遮掩了博亞吉安星的星光,而雲氣中的小物質團塊則導致恆星亮度短時間急速下降。


美國海軍天文台的馬卡洛夫(Valeri Makarov)及同事高丁(Alexey Goldin)認為,他們的研究部份支持這項假設:博亞吉安星某些亮度下降的幅度較小,其實是由克卜勒太空望遠鏡視野中較黯淡的鄰近恆星造成;亮度大幅下降或許是由星際空間中成群微小且緻密的雲氣或彗星所致。我們主觀判定,這種假設有道理。


還有一種相關假設認為,阻擋星光的雲氣或許就位在太陽系邊緣。在這種情況下,克卜勒太空望遠鏡繞日運行時的視線每年都會穿過同一批雲氣,但是我們並未在博亞吉安星的光變曲線中觀察到每年重複的下降模式。除此之外,目前沒有理由認為有這樣的雲氣,雖然我們可以假設,冥王星這類距離太陽非常遙遠的天體會間歇噴出由冰和氣體組成的雲氣,但是在行星科學家尚未檢驗這種假設前,我們判定此假設合理,但不太可能發生。


‧恆星內部變化


當恆星開始釋出內核燃料,亮度確實會改變,但這類事件的時間尺度是數百萬年,而不是數百年或數日,並且發生在恆星生命的最終階段,而非中段。


至於在太陽表面常見的黑子和日焰現象,確實會在較短的時間內改變亮度。倘若博亞吉安星的內部物理過程導致的亮度變化,足以解釋亮度的不規則下降和長期降低,我們或許就不需要透過在恆星周圍繞行的其他天體來加以解釋。


伊利諾大學香檳分校的謝赫(Mohammed Sheikh)等人最近以統計方法分析短期亮度下降的時機、幅度和持續時間,他們發現這些下降的分佈符合冪次定律,而這種分佈正是連續相變的特徵(例如磁鐵的磁場受到外部磁場影響而重新分佈)。他們認為,這意味博亞吉安星的亮度下降,是由於該恆星正處於內部變化的關鍵點,例如恆星的磁極正在翻轉。


但是,沒有其他恆星發生過如同博亞吉安星的現象。事實上,博亞吉安星溫度太高,內部不可能像太陽這類溫度較低的恆星,可以藉由磁發電機效應產生磁場。最大的問題在於,恆星磁場無法導致恆星亮度長期降低。


天文學家梅茲格(Brian Metzger)和美國哥倫比亞大學以及加州大學柏克萊分校的同事提出更可能的解釋,也就是行星或棕矮星與博亞吉安星相撞,撞擊導致恆星暫時變亮;我們觀測到的長期漸暗,就是恆星慢慢回復到原本亮度的過程。這種假設並未解釋亮度的不規則下降,也沒有為蒙特德和西蒙在克卜勒校準資料中見到的漸暗現象提供更多細節。不過日後的研究可望解決這些問題。


基於上述理由,我們判定與行星或棕矮星相撞的假設多少有道理,但是以恆星內部亮度變化做為解釋,則非常不合理。


‧黑洞


有人認為原因可能是黑洞。普遍的想法是,恆星質量的黑洞可能在博亞吉安星周圍繞行,因此擋住恆星發出的星光。然而,這種假設無法成立,理由有三:第一,這類黑洞會來回拉扯恆星,導致恆星出現可偵測的擺動,但研究團隊遍尋不著;第二,恆星質量黑洞的體積遠小於恆星,因此只能擋住少部份星光。更加違反直覺的是,黑洞的強大重力場反而會加強大部份背景星光的亮度,而不是擋住星光;第三,黑洞在吞噬周圍氣體和塵埃時會加熱這些物質,然後在各個波段發出明亮輻射。倘若博亞吉安星和地球之間真有黑洞,我們應該看到更明亮的光,但事實上星光卻暗了下來。所以,應該沒有黑洞,不是嗎?


嗯,也不盡然,或許遠處的確有個黑洞在我們與博亞吉安星之間運行。假想一個寬廣的冷卻物質盤像土星環一樣環繞著這個黑洞,但規模比整個太陽系還大,盤面可分為緻密的內部以及幾乎透明的外部。在過去100年間,當這個盤面幾乎透明的外部以及緊接著的緻密內部依序掃過我們的視線,便可能造成博亞吉安星長期漸暗的現象。


這顆恆星光變曲線的不規則下降,可能來自盤面中的星環、間隙以及其他細部結構在恆星表面投下的陰影。由於這個黑洞(以及假設的物質盤)不會發光,因此博亞吉安以高解析度望遠鏡也搜尋不到。


我們缺乏觀測證據,無法證實在一個冷卻且寬廣的物質盤中央有黑洞,這種解釋因此有點不切實際。但理論物理學家推測,超新星在形成恆星質量的黑洞時,可能製造出這樣的物質盤。除此之外,從統計上推估,克卜勒太空望遠鏡在四年內監測的15萬顆恆星中,這類黑洞可能至少掠過其中一顆恆星。我們主觀評估,這種假設多少有道理。


‧外星文明的巨型工程


我們列舉了許多可能假設,希望以自然現象解釋古怪的博亞吉安星。在加以檢驗後,我們了解到這些解釋皆有所不足。現在,我們可以考慮最驚人的可能性:外星文明的巨型工程,也就是類似戴森半世紀前的想法。


想像一個外星文明建造出眾多集能板,並讓這些大大小小的面板繞行恆星;其中較小面板集合起來的效應,就彷彿半透明的屏幕擋住了部份星光。


當面板群較密集的部份通過我們的視線,我們可能看到恆星亮度在數個小時到數百年間發生變化。10多年前,天文學家阿諾(Luc F. A. Arnold)首度提出,若有特大型面板乃至於整群面板呈現出某種陣式,規模甚至比恆星還大,那麼當整群面板飛掠恆星時,面板群的外形就會導致光變曲線出現巨大、不連續的下降。


這種假設與氣體和塵埃盤一樣,最大問題是缺乏紅外輻射的證據。即使是外星文明建造的巨型工程也必須遵守物理法則,從星光攔截到的能量必須以熱的型式輻射出去,不論外星科技運用能量多有效率,都必須符合這項條件。能量不會消失,倘若外星結構收集到很多能量,長遠來看,這些能量也必定散失。


還是有一些可能性可以讓這種假設成立:巨型工程收集到的能量可能以無線電或雷射訊號(而不是熱)輻射出去;巨型工程可能不是球狀,而是邊緣對準我們視線的環狀;巨型工程的科技可能遠超出我們理解的物理學,而不會發出絲毫熱能。


由於未知因素太多,這種假設很難檢驗。倘若所有自然的解釋都遭排除,我們就必須認真考慮外星巨型工程這種假設。如果我們從博亞吉安星周圍偵測到顯然非自然的無線電訊號,便能支持這種假設。因此,我們與博亞吉安已經開始使用美國西維吉尼亞州的綠堤望遠鏡(GBT)進行搜尋。就目前而言,對於這種最驚人的假設,我們仍難以判斷其可信度。我們知道的不夠多,甚至無法以任何定性的機率來推測這些假想出的外星生命有何作為。


更多相關文章

2018年5月195期物理之力 貝殼之美 雜誌訂閱

本期最新文章