01.14 在宇宙中可能發現了外星文明的“戴森球”?


要把這件事情講明白,我們得從開普勒太空望遠鏡開始講起。

開普勒望遠鏡的工作原理

美國東部時間 2009 年 3 月 6 日晚上 10 點 49 分,一枚德爾塔 2 型運載火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空,這次發射在人類的天文學史上留下了重重的一筆。火箭搭載的是美國宇航局發射的首顆專門探測類地行星的太空望遠鏡——"開普勒望遠鏡"。它的科研任務是對銀河系內 10 萬多顆恆星進行探測,希望搜尋到能夠支持生命體存在的類地行星。

在宇宙中可能發現了外星文明的“戴森球”?

開普勒望遠鏡

開普勒望遠鏡的主要工作是死盯著銀河中的一塊固定區域,每隔 30 分鐘採集一次數據。每個像素對應一顆恆星,開普勒望遠鏡並不需要拍照片,只要記錄每個像素的亮度變化就足夠了。假如有某個恆星的亮度發生了突然的變化,那麼必定是有蹊蹺的。

隨著海量數據被髮回地面,NASA 的科學家們就根本處理不過來了,他們讓計算機來分析這些恆星的亮度是不是會變化。假如會突然變暗,過一陣子又恢復了,很可能是這顆恆星帶有行星,行星恰好從恆星的表面經過,遮擋了恆星的光輝。假如是木星這麼大的天體遮擋了太陽,那麼太陽的亮度大約會減低 2%,地球大小的天體比木星遮擋效果要差 11 倍,地球畢竟比木星小得多。所以,開普勒望遠鏡必須非常靈敏,哪怕恆星的光減弱了 1/1000,也會被記錄下來。只有這樣才能發現地球大小的行星。

變光曲線之謎

一顆恆星的亮度一般來講是很穩定的,如果用橫軸表示時間,縱軸表示恆星的亮度,我們可以畫出一條變光曲線。假如一顆行星遮擋了恆星,我們會在變光曲線上看到一個明顯的凹坑,假如過一陣子這顆恆星的變光曲線又出現了這樣的凹坑,我們就有把握斷定,這顆恆星帶有一顆行星。凹坑的深度代表了行星的大小,凹坑的寬度就代表了行星運行的週期,坑越寬,行星運行的週期也就越長。

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變光曲線

開普勒望遠鏡每天都在產生大量的數據,靠人工分析是根本趕不上進度的,因此必須用計算機程序去做自動分析。儘管計算機程序也很給力,但是科學家們仍然在擔心,萬一計算機漏掉什麼稀奇古怪的東西呢?

計算機和人眼孰強孰弱恐怕是很難得出完美結論的。畢竟機器不會疲勞不會打盹,速度又很快,人可沒有不眠不休不知疲倦的本事,但是人的模式識別能力是無與倫比的。

引起恆星光度變化的情況有很多,比如雙星互相繞行也會引起光度的變化,但是這種變化與行星遮擋有區別。恆星也可能帶著一大串的行星,太陽就帶著 8 顆大行星。這種多行星系統的變光曲線會非常複雜,計算機恐怕會認不出來。恆星表面也會發生爆發,亮度突然增加,也可能會出現一大群黑子引起整體亮度的下降。這些情況都是很難瞞過人眼睛的,卻有可能騙過計算機。

於是耶魯大學、牛津大學的天文學家和芝加哥阿德勒天文館合作推出"行星獵手"計劃

。把開普勒望遠鏡公佈的觀測資料通過互聯網,以某種方式分發下去,請其他國家的科學家或者是愛好者來用自己的眼睛來挖掘新的行星。靠著網絡上無數熱心參與的志願者,科學家們從 1200 萬條觀測資料中又挖出了大約 34 個被計算機忽略的行星候選者。

也正是靠著人的一雙慧眼,志願者從資料中挖出了一顆比地球重 50 多倍的行星在圍繞著四重星之中的兩顆公轉。這顆行星被命名為 PH1,這是行星獵手計劃抓到的第一顆行星。這個恆星系統非常複雜,它的變光曲線計算機認不出來,幸好被人眼挖出來了。

塔比星的由來

儘管很複雜,但是科學家們也還是可以作出清晰的解讀。不過,一個奇怪的現象從 2011 年起被注意到,有一顆恆星特殊的變光曲線引起了大家的關注,這顆恆星的變光曲線太過奇葩,現有的理論實在是難以解釋。

這顆恆星的編號是 KIC8462852,俗稱叫"塔比星"。在 2009 年,它的光度曲線出現了下降的趨勢,也就是光在減弱,但是看曲線根本不像是被一顆行星遮擋了。因為行星遮擋總是非常乾淨利落:光度曲線馬上下降,然後平穩地維持一段時間,然後迅速地恢復,一般持續時間也就幾個鐘頭。可是塔比星不同,它是緩緩下降,足足持續了一個禮拜。

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塔比星光變曲線

而且下降與恢復階段從曲線上看是完全不對稱的。這是怎麼回事兒呢?大家只能猜測,或許這個行星並不是圓的,難道是個歪瓜劣棗,有這麼大的歪瓜劣棗嗎?

2011 年 3 月份又出現了一個新的情況:塔比星的亮度在一個星期的時間內減弱了 15% 之多,然後在兩三天之內恢復了正常。15% 對於恆星來講是非常大幅度的光度變化,很難用行星遮擋來解釋了。

到了 2013 年 2 月,塔比星又出現異常情況:在光度曲線上看出現了一連串的毛刺,也就是一連串的光度減弱。有時候保持一兩天,有時候則持續一週。這一連串的光度減弱現象陸陸續續持續了 100 天左右,下降幅度超過了20%,假如真的是什麼天體遮擋了塔比星的表面造成亮度的下降,那麼這個遮擋物的大小一定是地球的 1000 倍。這一下大家徹底糊塗了,這是怎麼回事兒呢?

2015 年的 4 月份,塔比星又一次出現異常,出現了新一輪的光度下降。本來,這顆奇葩的恆星無人知曉,但是2015 年的年底,這個傢伙被志願者從一大堆的數據之中給揪出來,呈現在了大家的面前。

這麼複雜的變光數據逃過了計算機的檢查,即便是人工查找也很容易被忽略,但是這恆星實在是太奇葩了,所以塔比星在行星獵手志願者之中引起了一連串的議論。這些數據反饋到天文學家那裡,天文學家們的第一反應是數據出問題了。他們仔細核對了數據以後發現記錄是可靠的,這個塔比星的光度曲線就是這麼神秘莫測。天文學家們頓時覺得一個頭兩個大,他們也無法解釋這一現象。

大家在開普勒的數據庫裡搜索了一大圈,發現了 1000 個類似的情況,經過人的手工篩查,這些結果都可以用其他方法解釋,塔比星的這種特殊曲線可算是唯一的案例。這也就無形中增加了研究的難度。

現在,天文學家們用地面的一系列望遠鏡組成的網絡來持續監視塔比星。2017 年 5 月,塔比星開始了新一輪的光度變化,每天的變化都有 2% 之多,似乎塔比星的光度每隔 1500 天左右就會出現一連串的大幅度變動,斷斷續續會持續很長一段時間。

戴森球

就在行星獵手們在熱烈討論塔比星的時候,另外一位天文學家賈森·萊特也在寫一篇論文,論文主要談的是開普勒望遠鏡的觀測精確度問題。他認為,依照開普勒望遠鏡的觀測水平,是有可能發現外星的巨型人工建築的,可是現在什麼也沒能發現,可見開普勒盯著的方向上並沒有什麼外星智慧生物。

可是,別人把塔比星的數據拿給他看的時候,他驚得下巴都快掉下來了,他沮喪地說,看來論文要重寫了。如何驗證塔比星周圍有沒有智慧生物呢?最好的辦法是去問問

SETI 項目組的人。

SETI 計劃的全稱是"地外文明搜索計劃",這個項目是用射電天文望遠鏡來監聽整個宇宙有沒有人工發射的有規律的無線電信號。假如真的收到這種非自然的信號,那麼就可以斷定存在外星智慧生命。但是他們已經連續監聽了五十多年,什麼有價值的信息也沒有發現。對於他們來講,塔比星是一個非常合適的目標。

在宇宙中可能發現了外星文明的“戴森球”?

地外文明搜索計劃

就在準備申請 SETI 觀測的這個檔口上,消息被各大媒體知道了,於是,天文學家發現了"戴森球"的傳聞就開始不脛而走。

戴森球是一種假想的巨型建築,外星人假如對能源的需求特別巨大,而且外星人的科技水平也特別高超的話,有可能會把整個恆星的能源全都搜刮乾淨,他們會向太空中發射無數個環日太陽能採集器,把整顆恆星包裹起來。

在宇宙中可能發現了外星文明的“戴森球”?

戴森球

物理學家戴森首先提出了這個概念,因此這種巨型建築也被稱為"戴森球"。

那麼塔比星奇異的光度變化有可能是外星人在建造戴森球嗎?

如何解釋塔比星光變

科學家們開始用各種形狀的遮擋物來計算光度曲線的變化,假如遮擋物是個三角形,那麼會造成光度曲線的何種變化呢?過去大家根本不敢往這個方向去想,因為大型天體一般都是流體的靜平衡狀態,也就是個球形。現在恐怕也不能排除奇形怪狀這種可能性了。目前沒有發現哪種規則的幾何圖形會產生類似塔比星的變光曲線,因此這條路是很難走通的,必須結合其他的信息進行綜合分析。

那麼能不能利用 SETI 項目的射電天文望遠鏡來監聽是不是有外星人信號呢?科學家們當然不會放過這種手段。科學家們調動射電望遠鏡在各個波段進行了監聽,但是聽來聽去,科學家們也沒發現什麼有意義的信號。

只憑借開普勒望遠鏡的觀測數據,以及地面望遠鏡最近收集的數據,恐怕還是遠遠不夠的。因為塔比星的變光週期似乎比較長,假如積累了足夠多的週期的數據,科學家們有可能會發現點兒新的信息。那就必須到廢紙堆裡去翻找過去的資料。

哈佛大學天文臺從 1885 年開始累積了超過 50 萬張玻璃底片。他們在 2001 年啟動了 DASCH 項目,對這些跨度超過一個世紀的底片進行數字化掃描。美國天文學家研究了塔比星在哈佛照相底片中的存檔,發現這顆星在過去一個世紀以來正在持續變暗,速率是每世紀 0.165±0.013 等,或相當於每年 0.152±0.012%。但是德國天文學家獨立分析數據後發現,這種變暗是底片在校正過程中的誤差引起的,並不是恆星真實的變暗。

因為上世紀 50 年代,哈佛大學天文臺的臺長門澤爾削減了觀測預算,在他管事兒的這些年,數據上存在一個大空檔,這被稱為"門澤爾空檔",兩個階段的儀器狀態不一樣,有可能引入觀測誤差。所以僅有哈佛天文臺的數據還是不夠,德國人還檢查了德國松納貝格天文臺的照相底片。這個天文臺從 1930 年代開始就有計劃地掃描整個天空,對整個天空拍照記錄,塔比星所在的天區曾經在 1934 年被拍攝過,後來又被拍攝過很多次,最晚的記錄是1995 年,總共有 1200 多張。他們發現這六十多年裡塔比星的亮度基本是恆定的,誤差正負不超過 3%。

假如外星人真的是在建造戴森球,那麼隨著工程的逐漸推進,塔比星被遮擋的部分應該是逐漸變多的,那麼光度應該呈現漸漸變暗的趨勢。但是科學家翻找了 100 年的歷史記錄,並沒有發現這樣的情況。最起碼是在人類擁有記錄的這 100 年裡,外星人停工歇業了,工程沒有進展。

我們不妨開腦洞來補完整個過程:

外星人建立一個戴森球工程,建立了一片能夠覆蓋塔比星截面 20% 的太陽能採集器。採集器當然不是一個單獨的整體,而是無數小的採集器構成的,就像是一片雲彩,整體的形狀是不規則的,這也就造成了塔比星的亮度下降不規則。但是外星人的這個超級工程已經成了一個爛尾工程,最起碼在我們人類有記錄的這 100 年中,他們沒有繼續開工建造。

這個說法似乎是可以解釋塔比星詭異的變光數據。這種說法恐怕是科幻迷最喜歡的一種答案,但是這個說法仍然會有大量的漏洞。

又有科學家分析了開普勒望遠鏡的數據,他們發現最近一段時間塔比星亮度持續緩慢下降是不爭的事實。似乎外星人在最近幾年恢復工作,又開始繼續建造戴森球。

大家又去分析 ASAS 項目的數據,ASAS 項目是兩組地面小望遠鏡的觀測數據,一組在夏威夷,一組在智利。從1997 年開始,兩組望遠鏡就開始運行了。綜合一系列小望遠鏡觀測到的數據,塔比星的光度變化更加複雜了,不但有變暗,還有變亮的情況。看來這就不能用外星人建造戴森球來解釋了。

如何解釋

那麼塔比星的詭異變光曲線有沒有更加自然的解釋呢?當然是有的,而且還很多。

  1. 儀器誤差造成的:但這個解釋最蒼白,難道那麼多儀器難道都測錯了?
  2. 太陽系中某個天體的遮擋:假如在太陽系內 1 萬天文單位距離的奧爾特運區域有一個大小為 1 天文單位的東西,就有可能造成這樣的遮擋。我們對於奧爾特雲的瞭解還很少,不能排除有這種可能性。
  3. 星際物質遮擋:這種可能性是存在的,但是為什麼只遮擋塔比星不遮擋別的天體呢?這恐怕也不好解釋。
  4. 超大光環:大家仔細觀察土星的光環,一圈圈的紋路非常複雜,塔比星萬一有一顆行星也攜帶超大光環,的確是可以造成複雜的遮擋效果。不過這個光環實在是太大了,恐怕行星是弄不出這麼大的光環的,中子星或者白矮星倒是有可能。現在我們並沒有發現塔比星存在伴星,這個解釋也說不通。
  5. 恆星級黑洞吸積盤:假如塔比星旁邊有個黑洞繞著塔比星旋轉,黑洞帶著一個吸積盤,吸積盤的確也可以造成複雜的遮擋效果。御夫座柱一周圍就存在著一個巨大的盤狀天體,每 27 年把主星遮擋一次,每次持續 1.5 年。但是這個解釋也說不通,遮擋的時間這麼長,軌道半徑必定非常大,起碼幾十光年。可是塔比星太小了,引力範圍太小,不可能有黑洞在這麼遠的距離上繞著塔比星轉圈圈。
  6. 大群彗星:彗星的形狀並不對稱,慧頭和長長的慧尾遮擋效果並不一樣。這就很容易解釋為什麼光線的減弱和恢復是不對稱的。要擋住主星 20% 的光,需要 30 顆半徑 100 千米或者 300 顆半徑 10 千米的彗星,哪來的這麼多的彗星啊?
  7. 大批黑子遮擋:但大多數科學家認為,塔比星這種類型的恆星是不可能長出那麼多那麼大面積的黑子的,可能性也很小。
  8. 恆星內部原因:現在還沒有任何一種恆星內部的理論能解釋這種不規則的脈動。
  9. 大行星或者褐矮星砸進了塔比星:大天體撞進恆星的話,或造成恆星亮度突然暴漲,然後慢慢地恢復原本的亮度,開普勒望遠鏡正巧看到了變暗的階段。這個假說比較壯觀,需要更多的證據才行。
在宇宙中可能發現了外星文明的“戴森球”?

御夫座的柱一週圍就存在著一個巨大的盤狀天體

如何分辨

我們要明確一個概念,那就是能量是守恆的。假如塔比星周圍存在大量的塵埃,那麼塵埃是會遮擋星光的,但是塵埃也會被曬熱,有溫度的物體都會輻射出紅外線。也就是塔比星輻射出的可見光被塵埃轉化成了紅外線,轉化過程的總能量是守恆的。分析一下塔比星的星光,並沒有大量的紅外線成分,和普通的恆星也沒什麼兩樣,這是目前非常大的一個疑點。凡是用塵埃、氣體雲的遮擋來解釋變光曲線的都繞不開這個規律。

行星碰撞必定會引起大量的塵埃,這些塵埃會造成紅外線成分大量增加,現在也沒有看到這樣的情況。戴森球也會造成紅外線成分偏多,但是戴森球是可控的,也許會採用集中排放熱量的方式,也就是紅外線的排放是朝著某個方向的,不對著地球的話,我們就觀察不到多餘的紅外線。所以即便觀察不到多餘的紅外線也不能完全排除戴森球的可能性。

我們到底該如何判斷是不是戴森球呢?

其實是有個辦法的,那就是測量塔比星的距離。我們可以利用塔比星的亮度來計算距離,我們也可以利用三角測量法來測量塔比星的距離。

假如這兩個距離相差太大。亮度距離遠大於三角測距,那麼就說明塔比星的亮度比理論值低了好多,為什麼亮度會那麼低呢?這時候最合理的解釋恐怕就是戴森球包裹導致的。

目前看來,一切都還是猜測,各種解釋也都有很多的缺陷,從光譜和變光曲線來看,塔比星實在是超越了我們以往的一切經驗,目前這還是一個新鮮出爐的宇宙未解之謎。這一切只有留給未來的研究者了。


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