责任编辑：韩晶晶
天体物理学 ASTROPHYSICS
恒星亮度的古怪变化难以用自然原因解释，会不会是外星文明在收割能源？
撰文 金伯利·卡蒂埃（Kimberly Cartier）贾森·T·赖特（Jason T. Wright）翻译 梁恩思 审校 周济林
金伯利·卡蒂埃是美国宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学博士研究生。她的专业是系外行星和它们的宿主恒星。卡蒂尔也时常活跃在科普领域。
贾森·T·赖特是美国宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学副教授，他供职于该校的系外行星和宜居世界研究中心。在这里，他参与搜索地外智慧生命的工作。赖特平时主要研究系外行星和它们所环绕的恒星。
精彩速览
KIC 8462852，又被称作博亚吉安之星，是由开普勒空间望远镜发现的一颗位于1000光年外的奇特恒星。
这颗恒星显著而又毫无规律的亮度下降很难用已知的自然现象来解释，使得天文学家们一头雾水。研究者现在提出的可能解释都比较奇异，比如尘埃盘、星际尘埃、彗星群，甚至是黑洞等。
比这些理论更加惊人的解释是，博亚吉安之星的奇特变化可能反映了某个高级宇宙文明的活动迹象。
2014年的秋天，正值树木由翠绿变为金黄的时节，在一个静谧的下午，塔贝萨·博亚吉安（Tabetha Boyajian）来到了宾夕法尼亚州立大学天文系，和我们分享了一个非同寻常的发现。季节变化之际的风景，恰好成为了这次会面的完美背景板。而这次会面，将有可能改变我们所有人的事业轨迹。
那时候的博亚吉安还是耶鲁大学的博士后。在美国航空航天局（NASA）搜索系外行星的开普勒空间望远镜的观测数据中，她发现了一颗亮度变化难以解释的古怪恒星。这种变化看起来并不像是行星经过恒星和望远镜之间时导致的恒星变暗现象。而其他可能导致这种变化的因素，比如望远镜的硬件问题，也都被她排除掉了。于是，她开始寻求新的解释。本文作者赖特提出了一个非比寻常的想法：或许，导致这颗恒星亮度变化的是外星科技。
20世纪60年代，美国物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）设想：一些对能源极度渴求的高级外星文明可能会将他们的主星用太阳能收集器包裹起来，这样便能吸收主星的全部星光。这种装置后来就被称作“戴森球”。如果外星文明并不仅仅是科学幻想，这颗亮度正在逐渐降低的恒星，有没有可能是我们人类所掌握的第一份证据呢？这个离经叛道的想法当然是别无他法的时候才会采用的假说，但至少现在，我们无法排除掉它。
这颗让博亚吉安困惑不解的恒星，现在官方名为博亚吉安之星（Boyajian's star），俗称则是塔比之星（Tabby's star），它不仅让天文学家着迷，也让公众很感兴趣。像所有重大谜题一样，它催生了近乎无穷多种候选解答，但没有一种可以完全解释那些奇特的观测结果。或许，真正的答案藏在已知的天文学现象之外。
来自开普勒的惊喜
开普勒空间望远镜在2009年发射，此前，世界上绝大部分的“行星猎手”都在顽强地一颗一颗寻找着系外行星（围绕其他恒星公转的行星）。这就像是在钓鱼，每次只能钓上一条。然而，当开普勒望远镜正式投入工作后，搜寻行星的工作就像用上了拖网渔船，一下子有了成百上千的收获。
开普勒望远镜在长达4年的时间里，持续对银河系中一个固定区域进行观测。它想要找到的是“凌星”现象。凌星指的是，那些公转平面和我们视线方向平行的行星，恰好在我们观测的时候处于望远镜和恒星之间，遮挡住了一部分原本应该到达地球的星光。如果把观测时间当作横坐标做一张图，那么一颗恒星的亮度就可以用所谓的“光变曲线”来描述。如果某颗恒星没有可以导致凌星现象的行星，那么它的光变曲线看起来基本是平的；如果加上一个可以凌星的行星，那么这颗恒星的光变曲线就会多了一些U型凹槽。这些凹槽十分准时，每次行星遮挡住星光时，凹槽都会出现。凌星过程的持续时间、出现的时刻、亮度降低程度，可以提供很多关于行星本身的信息，比如它的大小、温度等。
开普勒一共观测了超过150000颗恒星，其中只有一颗被称作KIC 8462852（KIC的意思是开普勒输入星表）的恒星的光变曲线无法用常理解释。第一个注意到这颗恒星的是“行星猎手”公众科学项目组的成员。这些业余爱好者们会用肉眼检查开普勒望远镜的数据，寻找那些被天文学家编写的行星搜寻算法漏掉的凌星行星系统。KIC 8462852的光变曲线中，类似于凌星现象的凹槽看起来会随机出现，其中的一些只持续几个小时，另一些则长达几天甚至几个星期。有些时候，这颗恒星的亮度会降低1%左右（相当于最大的凌星行星可能导致的亮度变化），但另外一些时候，恒星的亮度竟然会降低20%之多——没有任何人类已知的行星系统可以产生如此极端、变化如此之大的光变曲线。
因为倍感困惑，公众科学项目组的成员通知了博亚吉安，她是负责指导“行星猎手”项目的研究者之一。在2016年，他们在同行评议期刊上发表了一篇名为《流量都去哪儿了？》（Where’s the Flux?）的学术论文，向全世界介绍了这颗星和它的神秘之处。博亚吉安称KIC 8462852为“WTF star”（此处为双关，WTF既是“流量在哪里”的英文缩写，也是表示极度惊讶与疑问的词语）。
处处奇怪
博亚吉安之星的奇异之处远不止如此。在看过那篇名为《流量都去哪儿了？》的论文之后，路易斯安娜州立大学的天文学家布拉德利·谢弗（Bradley Schaefer）宣称，根据存档的数据来看，在过去的一个世纪里，博亚吉安之星亮度下降了15%以上。
谢弗的说法引起了巨大争议，因为恒星在数十年里亮度发生明显下降几乎是不可能的。对于正常的恒星来说，在诞生后长达几十亿年的时间里，它们的亮度基本是保持不变的。只有在恒星濒临死亡的时候，亮度才会有“快速”的变化，而这些变化的时间尺度通常也是百万年量级的，所谓的“快速”，实际上是相对于恒星正常寿命（几十亿年）来说的。而且，恒星快速的亮度变化还会伴随着其他标志性信号，博亚吉安之星也没有这些信号。根据其他已有的观测结果，它就是一颗不起眼的中年恒星。它不是一颗会规律性脉动的变星，也没有从伴星上吸积物质，同样也没有任何奇异的磁活动，当然也并非处于早期形成期——任何一种可能导致亮度快速变化的现象，都与博亚吉安之星无关。事实上，除了亮度下降这点比较奇怪之外，这颗恒星毫无特殊之处。
不过，谢弗的说法得到了天文学家本杰明·T·蒙泰（Benjamin T. Montet）和约书亚·D·西蒙（Joshua D. Simon）的支持，后者重新检查了这颗恒星的开普勒原始数据。这些数据并不像光变曲线那样为人所熟知。他们发现，在开普勒持续观测的4年时间里，博亚吉安之星变暗了3%。这个现象与短期的亮度下降一样令人惊奇。
如此看来，我们现在就要解释两个奇怪得令人完全摸不着头脑的现象：恒星在至少4年（也可能是过去的一个世纪）的时间里缓慢变暗；恒星亮度毫无规律地大幅度降低，持续几天甚至几周。虽然天文学家希望这二者可以有一个统一的解释，但即使单独一个现象都很难解释，更别说同时解释这两个了。
没有答案
有许多解释博亚吉安之星古怪之处的理论，现在我们来考虑一下那些最常被人提到的理论。我们会评判每种理论能否完满地解释观测现象，并主观地评估一下它们有多大可能是正确的。
尘埃和气体组成的盘
博亚吉安之星这种无规律亮度变化和长期的变暗过程，年轻恒星身上也会出现。这些恒星周围一般都有星周盘存在。所谓星周盘，就是指围绕恒星旋转、被星光加热的气体和尘埃物质组成的盘状结构，行星就诞生在这个盘里面。而随着行星逐渐形成，星周盘会产生一些团块、圆环和翘曲等结构。如果我们从侧向（指视线方向平行于环平面）观测一个星周盘，那么这些结构可以使恒星亮度短暂地降低；而如果这个星周盘相对于恒星还在“上下摆动”，那么这些结构便可以在长达几十年甚至几个世纪的时间里遮挡住越来越多的星光。
但事实上，这是颗中年恒星，并不年轻，显然也不存在星周盘。星周盘在星光的加热下，会以红外辐射的形式向周围空间散发热量。然而，博亚吉安之星并未显现出这种红外超现象（红外超，指的是某个天体发出的红外辐射比同类型天体多）。另一种可能是，博亚吉安之星周围的气体和尘埃形成的是一个向外蔓延很广的环状结构。这个环本身非常薄，以至于它遮挡住了一部分星光，但同时又没有产生太多的红外辐射。然而问题在于，在类似于博亚吉安之星这样的中年恒星附近，天文学家从未观测到这样的环状结构。要解释亮度变化，这种理论必须要假定存在一种从未被观测到的现象，因此我们认为它不大可能是对的。
一大群彗星
博亚吉安最初提出的假设是，一大群可以发生凌星现象的巨大彗星造成了这颗恒星奇特的亮度下降。毕竟，彗星在一个公转周期内，有一大半时间是远离它们主星运行的，再加上彗星公转轨道的偏心率普遍很大，这样就可以解释博亚吉安之星亮度的不规律变化了。那缺失的热量呢？随着彗星不断靠近博亚吉安之星，它们的温度肯定会逐渐升高；而当彗星不断远离恒星的时候，又会迅速地散失热量。因此，只有在恒星亮度下降的时候，才可以探测到红外超现象。虽然现在我们并没有探测到这种现象，但这可能是因为彗星造成的凌星是在几年前发生的，而它们现在已经远离了博亚吉安之星，温度变低，因此探测不到任何它们散失的热量。即便如此，要用同样的彗星假说来解释博亚吉安之星亮度的长期变暗，所需要的彗星群将是十分巨大的。这种尺度的彗星群，将不可避免地产生红外超。然而，就像之前所说的，现在没有探测到任何额外的红外辐射。
所以，对于彗星假说，我们认为它可以解释短时间内的无规律亮度下降，但是无法解释恒星长期的变暗过程。按照常理，如果博亚吉安之星的长期变暗过程不是由彗星造成，那么它无规律的亮度下降也很可能不是彗星导致的。
一团位于星际介质或太阳系内的云
星际空间中散布着很多可以削弱星光的气体和尘埃。随着开普勒望远镜围绕太阳旋转，它的视线方向也在随之变化。如果在望远镜和博亚吉安之星之间存在着一团气体和尘埃组成的云，那么在不同的观测时间，望远镜的视线会穿过这团物质的不同部分，被遮挡的星光也会有所变化。如果这团云的密度梯度满足一定条件，就可以在较长时间尺度上使得博亚吉安之星的亮度持续下降；而小范围的物质聚集也可能引起比较极端的短暂亮度下降。
美国海军天文台的两位研究者瓦列里·马卡罗夫（Valeri Makarov）和阿列克谢·戈尔金（Alexey Goldin）的工作为这个假说提供了一些支持。他们认为，光变曲线上某些幅度较小的变化是属于望远镜视场中邻近恒星的。这些恒星比博亚吉安之星暗淡很多，因此这些看起来很小的变化，事实上是那些恒星大幅度的亮度下降。这有可能是星际空间中一大群细小而浓密的尘埃云或彗星造成的。我们认为这个假说是合乎情理的。
一个类似的假说认为，这些遮挡了星光的尘埃云有可能位于我们太阳系的外边界。如果是这样，那么望远镜绕太阳运行的轨道就会让它的视线每年都穿过一次这片区域。但是，我们并没有发现亮度下降具有任何周年性。不仅如此，我们也没有任何理由认为有这样的一团云存在。虽然人们可以设想，在距离太阳很远的地方，一个类冥王星天体上的喷泉喷出了冰粒和水蒸气组成的云，但是如果没有行星科学家能为这个假说提供支持的话，我们只能认为它在理论上可行，但是可能性不高。
恒星自身的变化
当恒星快要耗尽自身储备的燃料时，它们的亮度确实会发生变化。但是计量这种变化的时标通常是百万年，而不是世纪或年；同时这种变化位于恒星生命的终点附近，并不是中间。其他自然现象，比如黑子和耀斑，也可以在短时标上改变恒星的亮度。如果博亚吉安之星的长期变暗和无规律亮度下降是由自身的物理过程引起的，那么我们就不需要用它周围的物质来解释它的亮度变化。
最近，伊利诺伊大学香槟分校的穆罕默德·谢赫（Mohammed Sheikh）和同事从统计学的角度分析了那些短暂的无规律亮度下降的中心时刻、下降深度还有持续时间。他们发现，这些参数服从连续相变的“幂律分布”（一个典型的例子是，磁铁在外部磁场的作用下重新排列）。他们认为这种分布意味着博亚吉安之星的亮度变化可能是由于它正处在自身内部转变的临界点，比如一个全球性的磁极翻转。
但没有任何一颗恒星显现过类似的活动。事实上，产生恒星磁场的发电机机制（导电的等离子体不停运动产生电流，进而生成磁场）通常只会在类似于太阳这种温度低得多的恒星上出现，而博亚吉安之星的温度已经超出了这个范围。而最大的问题在于，恒星磁场并不能产生我们所看到的长期变暗现象。
哥伦比亚大学的天文学家布莱恩·梅茨格（Brian Metzger）和同事与加利福尼亚大学伯克利分校的天文学家们合作，提出了一种更可行的解释：一颗行星或一颗褐矮星和博亚吉安之星发生了碰撞。这种碰撞可以引发恒星暂时的亮度增加。因此，我们所看到的长期变暗现象实际上是恒星缓慢恢复正常亮度的过程。这种假说并不能顺理成章地解释无规律的亮度下降，也不能解释蒙泰和西蒙在开普勒原始数据中所看到的变暗过程的具体细节，但是可以将这些问题留给将来的研究去解决。
因此我们认为碰撞假说有一定可信度，但其他希望通过恒星自身亮度变化来解释博亚吉安之星的假说基本不可能成立。
黑洞
还有一些人认为，博亚吉安之星附近有一颗围绕它运转的恒星级黑洞，是黑洞遮掩了星光。但这个假说在三个方面经不住推敲。第一，这样一个黑洞在绕转过程中会“拉”着博亚吉安之星产生可探测的前后摆动。但是在仔细分析过所有的数据以后，博亚吉安和她的团队并没有发现这样的摆动。第二，恒星质量的黑洞在体积上远小于同质量的恒星，因此它可以遮挡的星光也只是很小的一部分。事实上，尽管听起来违反直觉，但是黑洞极强的引力场通常会对背景星的星光产生放大作用，而不是遮挡。第三，当黑洞吞噬气体和尘埃的时候，会不断地加热这些向内掉落的物质，使得这些物质在全波段上都显得很亮。因此，如果在我们和博亚吉安之星之间有一个黑洞的话，我们应该看到的是恒星变亮的情况，而不是变暗。显然，在光变曲线上，我们并没有看到任何变亮的过程，所以，没有黑洞，对吧？
其实，倒不是这么绝对。一个与黑洞有关的解释可能是这样的：在我们和博亚吉安之星之间，有一个自由游荡的黑洞。假设这个黑洞周围有一个巨大盘状结构，类似于土星环，但是比整个太阳系都要大得多。而且盘靠外的部分几乎是透明的，越靠近内部密度越大。如果在过去的100年里，盘几乎不可见的外部区域和密度较大的内部区域依次从我们的视线上飘过，那么就可以使得博亚吉安之星产生我们所看到的长期变暗现象。而无规律的亮度下降则可能是源于黑洞凌星过程中盘上的环、空隙和其他结构投下的影子。因为黑洞本身并不会发出任何可捕捉的光，所以博亚吉安尝试的高分辨率成像就无法探测到黑洞和盘了。
事实上，这个解释还是稍显牵强。因为到目前为止，没有观测证据表明黑洞周围可以存在这种延伸很广的盘。但有研究者认为，超新星爆发产生恒星质量的黑洞时，可能的一种副产物就是这种盘。统计学角度的分析也表明，在开普勒连续观测的四年时间里，在它所监测的150000颗恒星中，至少有一颗可能会被这样一个黑洞遮挡住。因此，我们认为这个理论有一定的可行性。
外星文明巨型工程
为了解释博亚吉安之星的奇特亮度变化，我们已经考虑了一系列可能的自然原因并指出了它们的缺陷。现在，我们终于可以来探讨这个最为惊人的可能了——外星文明的巨型工程。这种工程结构类似于“戴森球”。
想象一下，一个外星文明建造了数量巨大的能量收集板。这些收集板围绕在主星周围，轨道不同，大小各异。其中一些较小的板块的总体效果就像一块半透明的屏幕一样，遮挡一部分星光。
随着能量板密集和稀疏的部分在我们的视线方向上进进出出，我们就会看到恒星出现各种时间尺度的亮度变化，从几个小时直至数个世纪。就像天文学家卢克·F·A·阿诺德（Luc F. A. Arnold）曾提出的那样，某些特别巨大（甚至可能比恒星本身还大）的单体能量板或能量板集群，在凌星的时候会让恒星亮度明显下降。在光变曲线上所体现出的形状则与板块的几何构型相关。
就像星周盘假说一样，这个理论也面对着缺少红外波段辐射的问题。因为就算是外星文明的巨大工程也需要遵循基本的物理定律，所以这些结构从星光中所吸收的任何能量最终都要以热量的形式辐射出去。不论这个文明的能量利用率有多高，这个要求都一定成立。因为能量不会凭空消失，所以如果这个文明收集了很多能量，那么它们终究也要释放掉很多。
但还是有方法可以让这个假说成立：这个外星工程可能把它所吸收的能量以射电或激光的形式辐射出去；能量收集板并不是呈球形环绕在主星周围的，而是恰好形成了一个与我们视线方向平行的环；这个外星文明的技术已经先进到了我们的物理学还无法理解的地步，它们可以做到丝毫不向外部辐射热量。因为有大量的未知因素存在，我们很难去验证这个假说的可靠性。
如果所有与自然现象相关的假说最终都被排除，那么我们就必须要认真对待这个外星工程结构的假说。或者，如果我们在博亚吉安之星附近探测到了明显并非自然产生的射电信号，那么该假说也可以得到有力的支持。相关研究现在已经开始了，博亚吉安正在利用位于西弗吉尼亚的绿岸望远镜对博亚吉安之星进行观测。就目前来说，对于这个最为惊人的假说，我们难以裁定它是否成立，因为我们对于设想中的外星生命了解得实在是太少了，根本无法定性地评价这种解释有多大可能是正确的。
观测
谜一样的亮度变化
对于天文学家来说，天上的星星变暗本没有什么神秘之处。“成年”恒星的光通常是稳定的，但是恒星上的黑子、行星或碎屑盘在恒星上投下的影子都会规律性地使恒星变暗。但是，一颗名为KIC 8462852，又被称为博亚吉安之星的中年恒星却无法用上面的现象来解释。
我们可以通过光变曲线来研究一颗变暗的恒星。光变曲线是描绘恒星亮度随时间变化规律的曲线。一颗行星或一个盘发生凌星（横穿恒星与观测者的连线）现象时，光变曲线上会显示出一次亮度下降；对于行星，这种下降在它公转的每一圈都会出现。恒星黑子在光变曲线上呈现的模式则与恒星的旋转速率和活动周期有关。
博亚吉安之星的光变曲线变化程度非常大。有些仅持续几个小时，另一些则持续几周；有些亮度降低几乎难以察觉，而另一些则多达20%。除了这些亮度下降外，博亚吉安之星还处在持续变暗的过程中。它有可能在过去的一个世纪里变暗超过15%。凌星行星、碎屑盘或者恒星黑子都无法解释这些现象，这使得天文学家不得不寻找奇特的解释。例如，恒星星光可能是被高级外星文明所建造的卫星群所遮挡的。
未知但光明的未来
对于博亚吉安之星，我们现在了解了多少呢？
我们现在可以排除掉任何需要红外超的解释了，因为并没有观测到它的存在；在所有其他解释都被排除之前，我们也应该拒绝那些需要许多低概率事件，或需要我们引入从未见过的物理机制或天体的理论。
现在要做的是寻找更多的观测事实。博亚吉安现在已经成为了路易斯安娜州立大学的一名副教授，她充分地利用了大众对这颗恒星的兴趣，利用众筹的方式在拉斯贡布雷斯天文台全球望远镜网络中买到了观测时间。每天我们都会对这颗恒星进行几次观测，如果它的亮度发生下降，我们就会将其他几台正在待命的望远镜指向它。这些望远镜将会测量光谱中缺失的部分，而这可以告诉我们挡在博亚吉安之星和我们之间的物质的成分。
为了更多了解这颗恒星长期的亮度下降，其他天文学家正在查询已有的博亚吉安之星亮度观测数据。如果能了解亮度下降的时标，我们就能给解释这颗恒星奇特光变曲线的理论加上更多的约束条件，这也可以指导我们如何去搜寻更多的观测线索。
我们还在等待欧洲空间局的盖亚卫星的数据，来更准确地测量博亚吉安之星与我们的距离。更精确的距离数据有助于我们排除某些假说。如果这颗恒星与我们的距离小于1300光年，那么星际介质中的气体和尘埃造成的消光就不能解释现在所观测到的变暗程度。而如果距离超过了1500光年（当前最好的估计结果），那么我们所看到的长期变暗现象就有可能是我们视线方向上的尘埃所造成的。但如果这颗恒星比1500光年还要远很多，那么这颗恒星就比我们现在认为的要亮很多。这就意味着，这种变暗现象有可能是恒星在发生并合以后，回到正常亮度的过程。
除非绿岸望远镜、拉斯贡布雷斯天文台和盖亚卫星的观测给出更多的信息，限制我们对博亚吉安之星猜测的只有我们的想象力和物理定律。就像自然界中最好的谜题一样，通往这颗谜之恒星真相的旅途才刚刚开始。
本文译者 梁恩思是南京大学天文与空间科学学院博士研究生。
本文审校 周济林是南京大学天文与空间科学学院院长，主要研究领域为行星系统形成与演化、太阳系小天体动力学、非线性天体力学。
扩展阅读
Transit Light-Curve Signatures of Artificial Objects. Luc F. A. Arnold inAstro physi cal Journal, Vol. 627, No. 1, pages 534–539; July 1, 2005.
Planet Hunters IX. KIC 8462852: Where's the Flux? T. S. Boyajian et al. inMonthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 457, No. 4, pages3988–4004; April 21, 2016.
KIC 8462852 Faded throughout the Kepler Mission. Benjamin T. Montetand Joshua D. Simon in Astrophysical Journal Letters, Vol. 830, No. 2, ArticleNo. L39; October 20, 2016.
Avalanche Statistics Identify Intrinsic Stellar Processes Near Criticality inKIC 8462852. Mohammed A. Sheikh et al. in Physical Review Letters, Vol. 117,No. 26, Article No. 261101; December 23, 2016.
Rings of a Super Saturn. Matthew Kenworthy; January 2016.
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