史上最詭異恒星：我們第一次看到了外星人？

最近被一條消息刷屏了，一顆編號為KIC 8462852的遙遠(yuǎn)恒星吸引了無數(shù)人關(guān)注的目光，原因很簡單，因?yàn)檫@顆恒星的某些行為的確十分詭異，難以解釋，容易讓人產(chǎn)生豐富聯(lián)想。

這究竟是怎么回事？

一、究竟發(fā)生了什么？

很簡單，在2015年的9月份，一顆編號為KIC 8462852、距離大約1400光年、位于天鵝座的恒星出現(xiàn)了一些難以解釋的行為，引起了科學(xué)家的關(guān)注。

但整件事情的緣起還要從開普勒項(xiàng)目說起。

開普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測天區(qū) 位于天鵝座和天琴座方向，覆蓋大約100平方度，在4年多時間里對該區(qū)域超過15萬顆恒星進(jìn)行觀測

“開普勒”（Kepler）空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是美國宇航局一項(xiàng)旨在搜尋地球大小系外行星的項(xiàng)目。系外行星是指圍繞其他恒星，而非太陽運(yùn)行的行星。

開普勒望遠(yuǎn)鏡于2009年3月7日發(fā)射升空，當(dāng)年5月13日開始執(zhí)行科學(xué)觀測任務(wù)，對覆蓋天鵝座和天琴座部分區(qū)域的部分超過15萬顆恒星亮度進(jìn)行精確監(jiān)測，每隔30分鐘獲取一次數(shù)據(jù)值，每年進(jìn)行超過25億次觀測。

整個觀測任務(wù)一直持續(xù)將近4年時間，一直到2013年5月12日，由于第二個反應(yīng)輪發(fā)生故障而結(jié)束主要觀測使命。

開普勒望遠(yuǎn)鏡利用凌星法觀測系外行星，所謂凌星法是指通過觀察行星從恒星前方的通過導(dǎo)致的恒星亮度短暫下降來反推行星的存在和性質(zhì)。

圖1.2 典型凌星事件產(chǎn)生的恒星光變曲線?？梢钥吹綄ΨQ而光滑的光度下降曲線

圖1.3 以地球與木星為例，模擬開普勒望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)點(diǎn)中的呈現(xiàn)狀況。通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化了解木星和地球的大小差異，你也會留意到地球遮擋太陽所產(chǎn)生的亮度下降幾乎難以識別

開普勒望遠(yuǎn)鏡觀測期間獲取的海量觀測數(shù)據(jù)可以通過科學(xué)家們專門設(shè)計的程序自動識別可能存在的系外行星凌星事件。

這是因?yàn)榈湫偷牧栊鞘录?dǎo)致的恒星亮度下降會存在特征性的光變曲線，比如本文圖1.2所示，當(dāng)行星從恒星面前經(jīng)過時，恒星亮度出現(xiàn)下降，光度曲線上出現(xiàn)一個對稱而光滑的下降曲線。

行星直徑越大，造成的這種恒星光度下降效應(yīng)也會越明顯。而在實(shí)際的開普勒觀測數(shù)據(jù)中，其對應(yīng)表現(xiàn)便是亮度數(shù)值點(diǎn)出現(xiàn)的下降。

這里以地球與木星為例，模擬開普勒望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)點(diǎn)中的呈現(xiàn)狀況（圖1.3），可以明顯通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化了解木星和地球的大小差異，當(dāng)然你也會留意到，地球遮擋太陽所產(chǎn)生的亮度下降幾乎難以識別。

一般來講，這種就屬于典型的系外行星信號，計算機(jī)程序可以自動識別。但盡管機(jī)器識別效率很高，但是科學(xué)家們還是不太放心，于是他們設(shè)計了一個名為“行星獵手”（planet hunters）的網(wǎng)站。

科學(xué)家們將開普勒計劃采集的數(shù)據(jù)放到這個網(wǎng)站上，讓普通民眾登錄查看，用肉眼識別疑似的系外行星目標(biāo)。

因?yàn)槿说难劬μ焐哂袕牧鑱y事物中識別模式的能力，這是計算機(jī)目前難以比擬的優(yōu)勢。于是數(shù)以十萬計來自全世界各地的天文愛好者們開始在這個網(wǎng)站上識別系外行星信號。

很快他們注意到一個非常特別的信號，它的光變曲線非常特殊，在“行星獵手”網(wǎng)站的討論版面上，很快出現(xiàn)了大量討論，愛好者們形容KIC 8462852的光變曲線“非常詭異”、“很有趣”或者“一次巨大的凌星事件”。

正是由于其光變曲線形態(tài)非常詭異，遠(yuǎn)超出計算機(jī)算法對凌星事件標(biāo)準(zhǔn)的定義，因此計算機(jī)篩查的時候是永遠(yuǎn)不可能將其識別出來的。

這些討論很快吸引了天文學(xué)家們的注意。美國路易斯安納州立大學(xué)的女天文學(xué)家塔比薩·博亞金（Tabetha boyajian）對此問題進(jìn)行了分析，并發(fā)表了詳細(xì)的研究論文（圖1.4），因此KIC 8462852也常常被叫做“塔比星”。

圖1.4 耶魯大學(xué)天文學(xué)家塔比薩·博亞金在預(yù)印本網(wǎng)站arxiv網(wǎng)站上發(fā)表了相關(guān)論文

二、詭異的光變曲線

開普勒望遠(yuǎn)鏡在2011年至2013年期間，對KIC 8462852獲取了將近4年的連續(xù)數(shù)據(jù)，其中發(fā)現(xiàn)了多次異常的光變過程，其中有兩次尤其明顯，在此期間恒星亮度出現(xiàn)了極為顯著的下降。很顯然，有某種巨大的東西遮擋了恒星的光芒，但它究竟是什么呢？

圖1.5 塔比星的開普勒光變曲線，可以看到多次較為明顯的亮度下降，其中在D800以及D1500附近有兩次特別明顯的亮度下降，幅度達(dá)到15~20%

圖1.5摘自論文Boyajian， T。 S。， et al。 2016，橫坐標(biāo)是時間，單位是日期，縱坐標(biāo)是光變幅度，用數(shù)字標(biāo)識出4年間KIC 8462852出現(xiàn)的歷次光變事件。

這里一共標(biāo)出10次事件，其中大致在第788天~795天之間（2011年3月），持續(xù)將近10天的一次光變事件，其亮度下降幅度達(dá)到驚人的15%左右，而在第1510天~1570天之間（2013年2月）則頻繁出現(xiàn)多次大幅度的亮度減低，最大幅度甚至超過22%，最長持續(xù)時間接近80天！

而參照圖1.3可見，即便太陽系最大的行星，直徑超過地球11倍的木星，其遮擋太陽所造成的亮度減低也就在1%左右，持續(xù)時間最多也就幾小時。

這意味著什么？這意味著有某個極其巨大的物體遮擋了KIC 8462852的光芒，并且這個神秘物體的直徑至少應(yīng)該是地球的1000倍以上！

圖1.6 2011年3月期間出現(xiàn)的光變曲線的放大圖，可以觀察到這次光變曲線輪廓非常干凈、光滑而陡峭，并且兩側(cè)并不對稱。它的變暗過程持續(xù)將近一周時間，然后在短短幾天時間里迅速恢復(fù)正常亮度

圖1.7 2013年2月期間光變曲線的局部放大圖。可以看到在一段相對長的時期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)度不一，光變曲線形狀不一的事件，似乎像是多個不同凌星物體或者獨(dú)立的凌星事件相互疊加的結(jié)果

再看具體的幾次光變事件。圖1.6是2011年3月期間出現(xiàn)的光變曲線的放大圖，可以觀察到這次光變曲線輪廓非常干凈、光滑而陡峭，并且兩側(cè)并不對稱。它的變暗過程持續(xù)將近一周時間，然后在短短幾天時間里迅速恢復(fù)正常亮度。

再參照圖1.7，觀察2013年2月期間光變曲線的局部放大圖，可以看到在一段相對長的時期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)度不一，光變曲線形狀不一的事件，似乎像是多個不同凌星物體或者獨(dú)立的凌星事件相互疊加的結(jié)果。

且考慮到光變形狀的高度不對稱性，遮擋恒星光線的應(yīng)該不是一個球體，而是一個形狀不規(guī)則的物體，又考慮多個完全不同的光變曲線，甚至似乎這都不是一個單個的物體，而是多個不同的獨(dú)立的物體？這究竟是什么？

圖1.7 2013年2月期間光變曲線的局部放大圖?？梢钥吹皆谝欢蜗鄬﹂L的時期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)度不一，光變曲線形狀不一的事件，似乎像是多個不同凌星物體或者獨(dú)立的凌星事件相互疊加的結(jié)果

三、可能是什么？

（一）設(shè)備故障？觀測誤差？

在相關(guān)論文中，研究人員對這種可能性進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和分析，考慮所有可能情況，其結(jié)果排除了設(shè)備故障或觀測誤差導(dǎo)致這種情況的可能性，因此研究人員可以確定這一光變曲線是真實(shí)的天體物理現(xiàn)象導(dǎo)致的，而不可能是設(shè)備誤差造成的結(jié)果。

（二）KIC 8462852本身是一顆變星？

當(dāng)然存在這種可能性，那就是KIC 8462852本身是一顆變星，因此其亮度會出現(xiàn)周期性的變化。研究人員討論了幾種典型變星的形狀，比如北冕座R型變星以及Be型變星。

前者是光譜型為F或G型的大質(zhì)量超巨星，往往會在為期數(shù)月的周期內(nèi)出現(xiàn)不規(guī)律的脈動性變化，持續(xù)時間數(shù)周乃至數(shù)月。這種變星的亮度變化是由于恒星周邊塵埃帶的緣故，導(dǎo)致遮蔽光球，其光變特征是陡峭的下降趨勢，然后是緩慢的恢復(fù)；而后者一般是快速旋轉(zhuǎn)的O或B型星，偶爾也有A型星，這種變星經(jīng)常出現(xiàn)周期為0.5~1.5天的半周期性光變。

然而KIC 8462852的觀測數(shù)據(jù)并不支持這樣的假設(shè)：首先從多次光變曲線特征上看，很多都是首先出現(xiàn)緩慢的亮度下降，隨后是快速的恢復(fù)，比如2011年3月期間出現(xiàn)的光變曲線，這基本與北冕座R型變星的特征相反，另外如果其周圍存在塵埃帶，類似恒星吸積盤結(jié)構(gòu)，那么這些塵埃物質(zhì)在吸收熱量之后會以紅外輻射的形式釋放熱量，這是基本的物理規(guī)律，因此我們應(yīng)該會在紅外波段觀測到較為強(qiáng)烈的紅外輻射，但事實(shí)并非如此。

最后，光譜觀測給出的KIC 8462852表面溫度數(shù)據(jù)約為6750K，顯然遠(yuǎn)低于Be型恒星的表面溫度，實(shí)際上，光譜特征顯示這是一顆光譜型為F3V型，質(zhì)量約為太陽1.43倍的主序星（我們的太陽是一顆光譜型為G2V的黃矮星）。

（三）這是一顆雙星？

圖1.8 位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像可以清晰查看到這顆疑似伴星，其與KIC 8462852之間間隔大約1.95角秒。目前還無法判斷這究竟是視雙星還是物理雙星，后者是兩顆真正由于靠的很近因而相互之間存在引力作用的雙星

如果這是一顆雙星，那么它近旁的伴星的確有可能會對KIC 8462852的光度變化產(chǎn)生影響，影響大小取決于伴星的大小和兩者之間的距離。

觀測顯示，KIC 8462852附近可能存在一顆伴星。如圖1.8所示，位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像可以清晰查看到這顆疑似伴星，其與KIC 8462852之間間隔大約1.95角秒。

目前還無法判斷這究竟是視雙星還是物理雙星，后者是兩顆真正由于靠的很近因而相互之間存在引力作用的雙星，而前者則是看上去似乎靠的很近，但其實(shí)只是視覺效果，現(xiàn)實(shí)中距離很遠(yuǎn)的情況，所以也叫“假雙星”。

目前還難以分辨這兩者孰是孰非，但有研究認(rèn)為這是假雙星的概率很低，不超過1%。

如果這是一顆真的伴星，那么其距離就與KIC 8462852基本一致。

據(jù)此我們可以推算一系列參數(shù)：這應(yīng)該是一顆光譜性為M2V，質(zhì)量大約0.4倍太陽質(zhì)量的紅矮星，測光分析數(shù)據(jù)也支持這一結(jié)果。

但考慮到其暗弱得多的光度，計算認(rèn)為其對KIC 8462852光變曲線的變化影響不會超過3%，不可能造成如此顯著的變化。

（四）撞擊事件？塵埃云團(tuán)？

圖1.9 塔比星附近的行星撞擊事件？要知道，主流理論認(rèn)為，我們的月球就是這樣形成的

圖1.10 原始行星塵埃盤？但是紅外波段的觀測似乎并不支持這一說法

一種可能是這顆恒星周圍的小行星帶內(nèi)發(fā)生了天體碰撞（圖1.9，圖1.10），或者行星本身發(fā)生了嚴(yán)重的撞擊事件，就像太陽系內(nèi)最初形成月球的那種大型撞擊事件。

這些大規(guī)模撞擊過程中產(chǎn)生的大量塵埃迅速擴(kuò)散，遮蔽光線。再或者不必牽涉撞擊事件，就是有行星系形成初期遺留的塵埃云團(tuán)直接在洛希極限范圍內(nèi)近距離圍繞恒星運(yùn)行。

洛希極限是一個極限范圍，在該范圍內(nèi)天體的引潮力很強(qiáng)烈，一般小天體進(jìn)入后會被撕碎，相反，在這一范圍內(nèi)存在的塵埃云也將很難聚集形成新的天體。

但這類假設(shè)也存在嚴(yán)重的問題，其中最關(guān)鍵的便是前文中提及的塵埃物質(zhì)的紅外出超問題，紅外波段的觀測數(shù)據(jù)與這一理論假設(shè)的情況不相符合。

（五）大群的系外彗星？

圖1.11 大群系外彗星？如果果真如此，那么這些彗星物質(zhì)的質(zhì)量將會高達(dá)谷神星的0.3%左右，根據(jù)彗星的普遍密度估算，這些物質(zhì)能夠形成一個直徑大約100公里的球體

上世紀(jì)80~90年代開始，科學(xué)家們就已經(jīng)觀察到在其他恒星周圍可能和太陽系內(nèi)一樣，存在“系外彗星”。因此完全不能排除這樣一種情況，那就是有大群的彗星，大大小小不同的碎塊造成了深深淺淺不同的光度減低現(xiàn)象（圖1.11）。

然而這里存在著一個比較明顯的問題，那就是由于彗星都是頭朝前尾巴朝后，因此在光變曲線上應(yīng)該是首先出現(xiàn)較為陡峭的下降（彗頭），而后緊跟著較為平緩的回升（彗尾）。

但從前面的光變曲線上看，情況似乎是相反的？但即便有這樣的問題，也的確有論文提到過彗尾朝向前進(jìn)方向的特殊“彗星”，只是這類彗星彗尾中的物質(zhì)顆粒必須比較大，以便抵御太陽風(fēng)的壓力以及輻射壓。

如果果真如此，這種奇特的光變現(xiàn)象與系外彗星有關(guān)，那么這些彗星物質(zhì)的質(zhì)量將會高達(dá)谷神星的0.3%左右，根據(jù)彗星的普遍密度估算，這些物質(zhì)能夠形成一個直徑大約100公里的球體。

研究人員設(shè)想這些彗星體可能受到附近其他恒星引力的擾動，導(dǎo)致其抵達(dá)距離恒星較近的位置上。而前文中也已經(jīng)提到，KIC 8462852附近的確可能存在一顆質(zhì)量較小的恒星。

（六）外星智慧文明與戴森球？

這一異常情況發(fā)布之后，很快引起了人們的關(guān)注。有科學(xué)家開始提出，如果所有的自然原因解釋都或多或少存在問題，那么有一種可能性或許就并非完全不可能，那就是外星智慧文明。說的更具體一些，這是我們首次目睹一個真實(shí)的戴森球嗎？

圖1.12 戴森球是美國物理學(xué)家弗里曼·戴森最早在1960年在一篇論文中提出的概念，他認(rèn)為，隨著工業(yè)和社會發(fā)展，一個智慧文明對于能源的需求將極大增加，而隨著技術(shù)進(jìn)步，最終它們將能夠控制整個恒星的能量

戴森球是美國物理學(xué)家弗里曼·戴森最早在1960年在一篇論文中提出的概念，他認(rèn)為，隨著工業(yè)和社會發(fā)展，一個智慧文明對于能源的需求將極大增加，而隨著技術(shù)進(jìn)步，最終它們將能夠控制整個恒星的能量。

其方式是建造巨大的結(jié)構(gòu)體，將整個恒星包裹起來，從而采集其全部向外輻射的能量（圖1.12）。相比之下，地球接收到的太陽輻射量大約只能占到太陽對外輻射總量的20億分之一。

大約在同一時期，蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫提出了宇宙文明的等級理論（Kardashev scale），這一等級理論將宇宙間的文明按照對能源的掌控與采集能力分為三個等級，作為一種衡量技術(shù)先進(jìn)性的指標(biāo)。按照這一標(biāo)準(zhǔn)：

I型文明：行星文明，有能力采集并儲存所有抵達(dá)其所在行星的太陽輻射；

II型文明：有能力采集其所圍繞運(yùn)行的恒星所釋放出的全部能量；

III型文明：有能力采集整個星系的全部能量；

當(dāng)前地球文明的技術(shù)等級還遠(yuǎn)未達(dá)到I型文明標(biāo)準(zhǔn)，而弗里曼·戴森所提議的戴森球常常就被認(rèn)為是II型技術(shù)文明的代表性特征之一。

如果這的確是我們首次目睹一個戴森球，為什么還能看到恒星本身？不應(yīng)該被整個遮蔽起來了嗎？或許還沒建成，我們看到的是一個戴森球的“建設(shè)工地”，整個建筑才完工了很小的一部分。如果果真如此，那么我們就是在仰視一個在技術(shù)上遙遙領(lǐng)先于我們的II型技術(shù)文明。

但是正如美國天文學(xué)家卡爾·薩根所言：非同凡響的說法需要非同凡響的證明——如此重大的設(shè)想，我們需要找到非常確鑿的證據(jù)才行。

“搜尋地外智慧文明組織”（SETI）在KIC 8462852的消息披露之后對這顆恒星方向進(jìn)行了監(jiān)聽，但是并沒有什么收獲。

另外，如果這的確是一個人工建筑，那么同樣的，在接收大量恒星輻射之后它應(yīng)該會有紅外波段的強(qiáng)烈輻射產(chǎn)生，但美國宇航局的“廣域紅外空間望遠(yuǎn)鏡”（WISE）和“斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡”在紅外波段的監(jiān)測結(jié)果都沒有觀測到任何明顯的紅外輻射出超。

當(dāng)然II型文明可能擁有了某種控制輻射或者輻射方向的技術(shù)能力，因此我們不能檢測到紅外波段的強(qiáng)輻射。

四、最新進(jìn)展

圖1.13 2017年5月份，塔比薩·博亞金在推特上表示利用0.4米口徑的LCO望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測顯示，KIC 8462852再次出現(xiàn)了預(yù)期中的亮度下降

在經(jīng)歷漫長的沉寂期之后，2017年5月份，塔比薩·博亞金在推特上表示利用0.4米口徑的LCO望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測顯示，KIC 8462852再次出現(xiàn)了預(yù)期中的亮度下降（圖1.13）。全球各地的大型望遠(yuǎn)鏡都對這一情況安排了觀測時間，其中也安排了很多高分辨率光譜觀測任務(wù)。

另外，引起很多人注意的是前兩天剛剛由幾位西班牙天文學(xué)家發(fā)布了一篇論文，提出了關(guān)于KIC 8462852奇異光變性質(zhì)的一種全新解釋，目前看來還是非常有希望的，并且他們的理論可貴之處還在于可驗(yàn)證，他們在文章里提出了預(yù)言，從而可以通過觀測進(jìn)行檢驗(yàn)（圖1.14）。

圖1.14 前兩天剛剛由幾位西班牙天文學(xué)家發(fā)布了一篇論文，提出了關(guān)于KIC 8462852奇異光變性質(zhì)的一種全新解釋，目前看來還是非常有希望的，并且他們的理論可貴之處還在于可驗(yàn)證

相比之前的一些理論，不管是系外彗星還是戴森球，甚至博亞金還開玩笑的設(shè)想過星際戰(zhàn)爭造成大量星球碎片的可能性，這些聽上去都是有些令人難以置信的感覺。

但是這個西班牙小組提出的理論相當(dāng)簡潔，并且涉及的都是我們非常熟悉的天體。

該小組提出的設(shè)想是：我們所目睹的可能是KIC 8462852周圍一個巨大且?guī)в猩陨詢A斜光環(huán)的行星（半徑超過木星5倍）以及在其軌道上存在的兩團(tuán)特洛伊小行星群。

根據(jù)該設(shè)想，行星體本身能夠造成KIC 8462852光變曲線中的第一次明顯下降，且光環(huán)結(jié)構(gòu)能夠解釋其光變曲線的不對稱性；第二次下降涉及大量復(fù)雜的亮度變化，這可能是由特洛伊小行星群導(dǎo)致的綜合效應(yīng)（圖1.15）。

圖1.15 該小組提出的設(shè)想是：我們所目睹的可能是KIC 8462852周圍一個巨大且?guī)в猩陨詢A斜光環(huán)的行星（半徑超過木星5倍）以及在其軌道上存在的兩團(tuán)特洛伊小行星群

他們的計算顯示這個巨大行星的軌道周期大約12年，距離恒星大約6AU（AU為天文單位，1AU大約相當(dāng)于一個日地距離，相比之下，木星軌道的平均距離約為5AU）。

另外，他們的理論能夠做出預(yù)測：研究組預(yù)測在第4430天（~2021年2月份）將再次開始出現(xiàn)亮度下降。因?yàn)楦鶕?jù)這一模型，在2021年年初，位于第4拉格朗日點(diǎn)的特洛伊小行星群將開始通過恒星前方，從而開始發(fā)生類似2013年2月那種復(fù)雜的亮度變化。而在兩年后，在2023年上半年，將重復(fù)類似2011年3月的那種簡單光變，這是因?yàn)樾行潜倔w此時開始通過恒星前方。

KIC 8462852的特殊行為吸引了全世界科學(xué)家和愛好者們的熱烈探討，不管其本質(zhì)最終被證明如何，但至少它啟發(fā)了很多人去思考。另外，如果沒有無數(shù)志愿者們的努力和付出，KIC 8462852將注定淹沒在海量的數(shù)據(jù)中，永遠(yuǎn)不可能被注意到。

它彰顯了這樣一個事實(shí)：在現(xiàn)代天文學(xué)飛速發(fā)展，天文學(xué)研究變得越來越專業(yè)化的今天，作為平凡的普通大眾，我們?nèi)匀挥锌赡茏龀霾黄椒驳膫ゴ蟀l(fā)現(xiàn)。