首次目睹外星文明與戴森球？神秘恆星究竟怎麼回事

最近被一條消息刷屏了，一顆編號為KIC 8462852的遙遠恆星吸引了無數人關注的目光，原因很簡單，因為這顆恆星的某些行為的確十分詭異，難以解釋，容易讓人產生豐富聯想。這究竟是怎麼回事？

一、究竟發生了什麼？

很簡單，在2015年的9月份，一顆編號為KIC 8462852，距離大約1400光年之外，位於天鵝座的恆星出現了一些難以解釋的行為，引起了科學家的關注。但整件事情的緣起還要從開普勒項目說起。

「開普勒」（kepler）空間望遠鏡項目是美國宇航局一項旨在搜尋地球大小系外行星的項目。系外行星是指圍繞其他恆星，而非太陽運行的行星。開普勒望遠鏡於2009年3月7日發射升空，當年5月13日開始執行科學觀測任務，對覆蓋天鵝座和天琴座部分區域的部分超過15萬顆恆星亮度進行精確監測，每隔30分鐘獲取一次數據值，每年進行超過25億次觀測。整個觀測任務一直持續將近4年時間，一直到2013年5月12日，由於第二個反應輪發生故障而結束主要觀測使命。開普勒望遠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恆星前方的通過導致的恆星亮度短暫下降來反推行星的存在和性質。

圖1.2 典型凌星事件產生的恆星光變曲線。可以看到對稱而光滑的光度下降曲線

圖1.3 以地球與木星為例，模擬開普勒望遠鏡數據點中的呈現狀況。通過數據點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生的亮度下降幾乎難以識別

開普勒望遠鏡觀測期間獲取的海量觀測數據可以通過科學家們專門設計的程序自動識別可能存在的系外行星凌星事件。這是因為典型的凌星事件導致的恆星亮度下降會存在特徵性的光變曲線，比如本文圖1.2所示，當行星從恆星面前經過時，恆星亮度出現下降，光度曲線上出現一個對稱而光滑的下降曲線。會讓你同意理解，行星直徑越大，造成的這種恆星光度下降效應也會越明顯。而在實際的開普勒觀測數據中，其對應表現便是亮度數值點出現的下降，這裡以地球與木星為例，模擬開普勒望遠鏡數據點中的呈現狀況（圖1.3），可以明顯通過數據點的變化了解木星和地球的大小差異，當然你也會留意到，地球遮擋太陽所產生的亮度下降幾乎難以識別。

一般來講，這種就屬於典型的系外行星信號，計算機程序可以自動識別。但儘管機器識別效率很高，但是科學家們還是不太放心，於是他們設計了一個名為「行星獵手」（planet hunters）的網站。科學家們將開普勒計劃採集的數據放到這個網站上，讓普通民眾登錄查看，用肉眼識別疑似的系外行星目標。因為人的眼睛天生具有從凌亂事物中識別模式的能力，這是計算機目前難以比擬的優勢。於是數以十萬計來自全世界各地的天文愛好者們開始在這個網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」網站的討論版面上，很快出現了大量討論，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」。正是由於其光變曲線形態非常詭異，遠超出計算機演算法對凌星事件標準的定義，因此計算機篩查的時候是永遠不可能將其識別出來的。這些討論很快吸引了天文學家們的注意。美國路易斯安納州立大學的女天文學家塔比薩·博亞金（Tabetha boyajian）對此問題進行了分析，並發表了詳細的研究論文（圖1.4），因此KIC 8462852也常常被叫做「塔比星」。

二、詭異的光變曲線

開普勒望遠鏡在2011年至2013年期間，對KIC 8462852獲取了將近4年的連續數據，其中發現了多次異常的光變過程，其中有兩次尤其明顯，在此期間恆星亮度出現了極為顯著的下降。很顯然，有某種巨大的東西遮擋了恆星的光芒，但它究竟是什麼呢？

圖1.5摘自論文Boyajian， T。 S。， et al。 2016，橫坐標是時間，單位是日期，縱坐標是光變幅度，用數字標識出4年間KIC 8462852出現的歷次光變事件，這裡一共標出10次事件，其中大致在第788天~795天之間（2011年3月），持續將近10天的一次光變事件，其亮度下降幅度達到驚人的15%左右，而在第1510天~1570天之間（2013年2月）則頻繁出現多次大幅度的亮度減低，最大幅度甚至超過22%，最長持續時間接近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，持續時間最多也就幾小時。這意味著什麼？這意味著有某個極其巨大的物體遮擋了KIC 8462852的光芒，並且這個神秘物體的直徑至少應該是地球的1000倍以上！

圖1.6 2011年3月期間出現的光變曲線的放大圖，可以觀察到這次光變曲線輪廓非常乾淨、光滑而陡峭，並且兩側並不對稱。它的變暗過程持續將近一周時間，然後在短短几天時間裡迅速恢復正常亮度

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連續發生多次強度不一，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立的凌星事件相互疊加的結果

再看具體的幾次光變事件。圖1.6是2011年3月期間出現的光變曲線的放大圖，可以觀察到這次光變曲線輪廓非常乾淨、光滑而陡峭，並且兩側並不對稱。它的變暗過程持續將近一周時間，然後在短短几天時間裡迅速恢復正常亮度。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連續發生多次強度不一，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立的凌星事件相互疊加的結果。且考慮到光變形狀的高度不對稱性，遮擋恆星光線的應該不是一個球體，而是一個形狀不規則的物體，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，而是多個不同的獨立的物體？這究竟是什麼？

三、可能是什麼？

（一）設備故障？觀測誤差？

在相關論文中，研究人員對這種可能性進行了詳細調查和分析，考慮所有可能情況，其結果排除了設備故障或觀測誤差導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的天體物理現象導致的，而不可能是設備誤差造成的結果。

（二）KIC 8462852本身是一顆變星？

當然存在這種可能性，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型的大質量超巨星，往往會在為期數月的周期內出現不規律的脈動性變化，持續時間數周乃至數月。這種變星的亮度變化是由於恆星周邊塵埃帶的緣故，導致遮蔽光球，其光變特徵是陡峭的下降趨勢，然後是緩慢的恢復；而後者一般是快速旋轉的O或B型星，偶爾也有A型星，這種變星經常出現周期為0.5~1.5天的半周期性光變。然而KIC 8462852的觀測數據並不支持這樣的假設：首先從多次光變曲線特徵上看，很多都是首先出現緩慢的亮度下降，隨後是快速的恢復，比如2011年3月期間出現的光變曲線，這基本與北冕座R型變星的特徵相反，另外如果其周圍存在塵埃帶，類似恆星吸積盤結構，那麼這些塵埃物質在吸收熱量之後會以紅外輻射的形式釋放熱量，這是基本的物理規律，因此我們應該會在紅外波段觀測到較為強烈的紅外輻射，但事實並非如此。最後，光譜觀測給出的KIC 8462852表面溫度數據約為6750K，顯然遠低於Be型恆星的表面溫度，實際上，光譜特徵顯示這是一顆光譜型為F3V型，質量約為太陽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？

如果這是一顆雙星，那麼它近旁的伴星的確有可能會對KIC 8462852的光度變化產生影響，影響大小取決於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，位於夏威夷的凱克望遠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，後者是兩顆真正由於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，但其實只是視覺效果，現實中距離很遠的情況，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，那麼其距離就與KIC 8462852基本一致。據此我們可以推算一系列參數：這應該是一顆光譜性為M2V，質量大約0.4倍太陽質量的紅矮星，測光分析數據也支持這一結果。但考慮到其暗弱得多的光度，計算認為其對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？塵埃雲團？

圖1.9 塔比星附近的行星撞擊事件？要知道，主流理論認為，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並不支持這一說法

一種可能是這顆恆星周圍的小行星帶內發生了天體碰撞（圖1.9，圖1.10），或者行星本身發生了嚴重的撞擊事件，就像太陽系內最初形成月球的那種大型撞擊事件。這些大規模撞擊過程中產生的大量塵埃迅速擴散，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雲團直接在洛希極限範圍內近距離圍繞恆星運行。洛希極限是一個極限範圍，在該範圍內天體的引潮力很強烈，一般小天體進入後會被撕碎，相反，在這一範圍內存在的塵埃雲也將很難聚集形成新的天體。但這類假設也存在嚴重的問題，其中最關鍵的便是前文中提及的塵埃物質的紅外出超問題，紅外波段的觀測數據與這一理論假設的情況不相符合。

（五）大群的系外彗星？

上世紀80~90年代開始，科學家們就已經觀察到在其他恆星周圍可能和太陽系內一樣，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象（圖1.11）。然而這裡存在著一個比較明顯的問題，那就是由於彗星都是頭朝前尾巴朝後，因此在光變曲線上應該是首先出現較為陡峭的下降（彗頭），而後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方向的特殊「彗星」，只是這類彗星彗尾中的物質顆粒必須比較大，以便抵禦太陽風的壓力以及輻射壓。

如果果真如此，這種奇特的光變現象與系外彗星有關，那麼這些彗星物質的質量將會高達穀神星的0.3%左右，根據彗星的普遍密度估算，這些物質能夠形成一個直徑大約100公里的球體。

研究人員設想這些彗星體可能受到附近其他恆星引力的擾動，導致其抵達距離恆星較近的位置上。而前文中也已經提到，KIC 8462852附近的確可能存在一顆質量較小的恆星。

（六）外星智慧文明與戴森球？

這一異常情況發布之後，很快引起了人們的關注。有科學家開始提出，如果所有的自然原因解釋都或多或少存在問題，那麼有一種可能性或許就並非完全不可能，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的戴森球嗎？

戴森球是美國物理學家弗里曼·戴森最早在1960年在一篇論文中提出的概念，他認為，隨著工業和社會發展，一個智慧文明對於能源的需求將極大增加，而隨著技術進步，最終它們將能夠控制整個恆星的能量。其方式是建造巨大的結構體，將整個恆星包裹起來，從而採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佔到太陽對外輻射總量的20億分之一。

大約在同一時期，蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達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採集能力分為三個等級，作為一種衡量技術先進性的指標。按照這一標準：

I型文明：行星文明，有能力採集並儲存所有抵達其所在行星的太陽輻射；

II型文明：有能力採集其所圍繞運行的恆星所釋放出的全部能量；

III型文明：有能力採集整個星系的全部能量；

當前地球文明的技術等級還遠未達到I型文明標準，而弗里曼·戴森所提議的戴森球常常就被認為是II型技術文明的代表性特徵之一。

如果這的確是我們首次目睹一個戴森球，為什麼還能看到恆星本身？不應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「建設工地」，整個建築才完工了很小的一部分。如果果真如此，那麼我們就是在仰視一個在技術上遙遙領先於我們的II型技術文明。

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

「搜尋地外智慧文明組織」（SETI）在KIC 8462852的消息披露之後對這顆恆星方向進行了監聽，但是並沒有什麼收穫。另外，如果這的確是一個人工建築，那麼同樣的，在接收大量恆星輻射之後它應該會有紅外波段的強烈輻射產生，但美國宇航局的「廣域紅外空間望遠鏡」（WISE）和「斯皮策空間望遠鏡」在紅外波段的監測結果都沒有觀測到任何明顯的紅外輻射出超。當然II型文明可能擁有了某種控制輻射或者輻射方向的技術能力，因此我們不能檢測到紅外波段的強輻射。

四、最新進展

在經歷漫長的沉寂期之後，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望遠鏡進行的觀測顯示，KIC 8462852再次出現了預期中的亮度下降（圖1.13）。全球各地的大型望遠鏡都對這一情況安排了觀測時間，其中也安排了很多高解析度光譜觀測任務。

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家發布了一篇論文，提出了關於KIC 8462852奇異光變性質的一種全新解釋，目前看來還是非常有希望的，並且他們的理論可貴之處還在於可驗證，他們在文章里提出了預言，從而可以通過觀測進行檢驗（圖1.14）。

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想過星際戰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簡潔，並且涉及的都是我們非常熟悉的天體。

該小組提出的設想是：我們所目睹的可能是KIC 8462852周圍一個巨大且帶有稍稍傾斜光環的行星（半徑超過木星5倍）以及在其軌道上存在的兩團特洛伊小行星群。根據該設想，行星體本身能夠造成KIC 8462852光變曲線中的第一次明顯下降，且光環結構能夠解釋其光變曲線的不對稱性；第二次下降涉及大量複雜的亮度變化，這可能是由特洛伊小行星群導致的綜合效應（圖1.15）。

他們的計算顯示這個巨大行星的軌道周期大約12年，距離恆星大約6AU（AU為天文單位，1AU大約相當於一個日地距離，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測：研究組預測在第4430天（~2021年2月份）將再次開始出現亮度下降。因為根據這一模型，在2021年年初，位於第4拉格朗日點的特洛伊小行星群將開始通過恆星前方，從而開始發生類似2013年2月那種複雜的亮度變化。而在兩年後，在2023年上半年，將重複類似2011年3月的那種簡單光變，這是因為行星本體此時開始通過恆星前方。

KIC 8462852的特殊行為吸引了全世界科學家和愛好者們的熱烈探討，不管其本質最終被證明如何，但至少它啟發了很多人去思考。另外，如果沒有無數志願者們的努力和付出，KIC 8462852將註定淹沒在海量的數據中，永遠不可能被注意到。它彰顯了這樣一個事實：在現代天文學飛速發展，天文學研究變得越來越專業化的今天，作為平凡的普通大眾，我們仍然有可能做出不平凡的偉大發現。（晨風）

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