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弗里曼·戴森最大胆的猜想

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弗里曼·戴森最大胆的猜想

弗里曼·戴森(图片来源:quanta magazine)

1923年,戴森出生于英国Crowthorne。早年间,戴森在剑桥大学三一学院学习数学,并获得学士学位。第二次世界大战后,戴森于1947年来到美国康奈尔大学,跟随1967年的诺贝尔物理学奖得主汉斯·贝特攻读物理学博士;一年后,戴森结识理查德·费曼后,跟随后者来到普林斯顿的高等研究院。

1949年,戴森发表了一篇具有里程碑意义的论文,证明了朱利安·施温格和朝永振一郎发展的变分法方法与理查德·费曼的路径积分表述具有等价性,这项研究为量子电动力学,乃至现代物理学理论的建立奠定了重要基础。1965年,朝永振一郎、施温格和费曼因对量子电动力学理论的贡献,共同获得诺贝尔物理学奖,而戴森则与奖项失之交臂。

1951年,尚未获得博士学位的戴森成为康乃尔大学物理学教授。1953年,戴森受到奥本海默的邀请,出任普林斯顿高等研究院的教授,直至退休。

1957-1961年间,戴森参加了美国的猎户座计划(Project Orion),这一计划意图探索通过可控核爆炸推动航天器的可能性。不过,随着《部分禁止核试验条约》的签订,猎户座计划宣告终结。

戴森最大胆的科学设想,无疑是他在20世纪60年代提出的“戴森球”——一些高级外星文明为了尽可能利用能量,可能会将主星用太阳能收集器包裹起来。这个想法无比疯狂,但至少现在,我们无法排除这种可能性。而且,就在几年前,一颗奇特的恒星让戴森球再次受到关注。下面这篇文章,为我们讲述了这颗神秘恒星的故事……

撰文| 金伯利·卡蒂埃(Kimberly Cartier)、贾森·赖特(Jason Wright)

翻译| 梁恩思

审校| 周济林

弗里曼·戴森最大胆的猜想

2014年,当时还是耶鲁大学博士后的塔贝萨·博亚吉安(Tabetha Boyajian),从开普勒空间望远镜的观测数据中,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也都被她排除掉了。当她来到宾夕法尼亚州立大学,与我们分享这个发现时,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。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,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“光变曲线”来描述。如果这颗恒星有一个可以凌星的行星,那么它的光变曲线就会多了一些U型凹槽。(如下图所示)这些凹槽十分准时,每次行星遮挡住星光时,凹槽都会出现。

弗里曼·戴森最大胆的猜想

开普勒一共观测了超过150 000颗恒星,其中只有一颗被称作KIC 8462852的恒星的光变曲线无法用常理解释。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。

弗里曼·戴森最大胆的猜想

处处奇怪

博亚吉安之星的奇异之处远不止如此。路易斯安娜州立大学的天文学家布拉德利·谢弗(Bradley Schaefer)表示,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,这些变化的时间尺度通常也是百万年量级的。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。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。

猜想一:尘埃和气体组成的盘

解释: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(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)存在。如果我们从侧向观测一个星周盘,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“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。

问题: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(指某个天体发出的红外辐射比同类型天体多)。

猜想二:一大群彗星

解释: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。

问题: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,现在没有探测到任何额外的红外辐射。所以,彗星假说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。

猜想三:一团位于星际介质的云

解释: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。

猜想四:太阳系内的云

解释: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。

问题: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。

猜想五:恒星自身的变化

解释: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。

问题:这种假说并不能解释无规律的亮度下降,也不能解释开普勒原始数据中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。

猜想六:黑洞

解释: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。

问题: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150 000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。

弗里曼·戴森最大胆的猜想

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。

不过,这个理论面临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。

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。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。

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