弗里曼·戴森（圖片來源：quanta magazine）
當地時間2月28日，著名物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在美國普林斯頓因病去世，終年96歲。
1923年，戴森出生於英國Crowthorne。早年間，戴森在劍橋大學三一學院學習數學，並獲得學士學位。第二次世界大戰後，戴森於1947年來到美國康奈爾大學，跟隨1967年的諾貝爾物理學獎得主漢斯·貝特攻讀物理學博士；一年後，戴森結識理察·費曼後，跟隨後者來到普林斯頓的高等研究院。
1949年，戴森發表了一篇具有里程碑意義的論文，證明了朱利安·施溫格和朝永振一郎發展的變分法方法與理察·費曼的路徑積分表述具有等價性，這項研究為量子電動力學，乃至現代物理學理論的建立奠定了重要基礎。1965年，朝永振一郎、施溫格和費曼因對量子電動力學理論的貢獻，共同獲得諾貝爾物理學獎，而戴森則與獎項失之交臂。
1951年，尚未獲得博士學位的戴森成為康乃爾大學物理學教授。1953年，戴森受到奧本海默的邀請，出任普林斯頓高等研究院的教授，直至退休。
1957-1961年間，戴森參加了美國的獵戶座計劃（Project Orion），這一計劃意圖探索通過可控核爆炸推動太空飛行器的可能性。不過，隨著《部分禁止核試驗條約》的簽訂，獵戶座計劃宣告終結。
戴森最大膽的科學設想，無疑是他在20世紀60年代提出的「戴森球」——一些高級外星文明為了儘可能利用能量，可能會將主星用太陽能收集器包裹起來。這個想法無比瘋狂，但至少現在，我們無法排除這種可能性。而且，就在幾年前，一顆奇特的恆星讓戴森球再次受到關注。下面這篇文章，為我們講述了這顆神秘恆星的故事……
撰文| 金伯利·卡蒂埃（Kimberly Cartier）、賈森·賴特（Jason Wright）
翻譯| 梁恩思
審校| 周濟林
2014年，當時還是耶魯大學博士後的塔貝薩·博亞吉安（Tabetha Boyajian），從開普勒空間望遠鏡的觀測數據中，發現了一顆亮度變化難以解釋的古怪恆星。這種變化看起來並不像是行星經過恆星和望遠鏡之間時導致的恆星變暗現象，而其他可能導致這種變化的因素也都被她排除掉了。當她來到賓夕法尼亞州立大學，與我們分享這個發現時，本文作者賴特提出了一個非比尋常的想法：或許，導致這顆恆星亮度變化的是外星科技。
20世紀60年代，美國物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）設想：一些對能源極度渴求的高級外星文明可能會將他們的主星用太陽能收集器包裹起來，這樣便能吸收主星的全部星光。這種裝置後來就被稱作「戴森球」。如果外星文明並不僅僅是科學幻想，這顆亮度正在逐漸降低的恆星，有沒有可能是我們人類所掌握的第一份證據呢？這個離經叛道的想法當然是別無他法的時候才會採用的假說，但至少現在，我們無法排除掉它。
這顆讓博亞吉安困惑不解的恆星，現在官方名為博亞吉安之星（Boyajian's star），俗稱則是塔比之星（Tabby's star）。它不僅讓天文學家著迷，也讓公眾很感興趣。像所有重大謎題一樣，它催生了近乎無窮多種候選解答，但沒有一種可以完全解釋那些奇特的觀測結果。或許，真正的答案藏在已知的天文學現象之外。
來自開普勒的驚喜
開普勒空間望遠鏡在2009年發射，此前，世界上絕大部分的「行星獵手」都在頑強地一顆一顆尋找著系外行星。這就像是在釣魚，每次只能釣上一條。然而，當開普勒望遠鏡正式投入工作後，搜尋行星的工作就像用上了拖網漁船，一下子有了成百上千的收穫。
開普勒望遠鏡在長達4年的時間裡，持續對銀河系中一個固定區域進行觀測。它想要找到的是「凌星」現象。凌星指的是，那些公轉平面和我們視線方向平行的行星，在我們觀測的時候處於望遠鏡和恆星之間，遮擋住了一部分原本應該到達地球的星光。如果把觀測時間當作橫坐標做一張圖，那麼一顆恆星的亮度就可以用「光變曲線」來描述。如果這顆恆星有一個可以凌星的行星，那麼它的光變曲線就會多了一些U型凹槽。（如下圖所示）這些凹槽十分準時，每次行星遮擋住星光時，凹槽都會出現。
開普勒一共觀測了超過150 000顆恆星，其中只有一顆被稱作KIC 8462852的恆星的光變曲線無法用常理解釋。KIC 8462852的光變曲線中，類似於凌星現象的凹槽看起來會隨機出現，其中的一些只持續幾個小時，另一些則長達幾天甚至幾個星期。有些時候，這顆恆星的亮度會降低1%左右（相當於最大的凌星行星可能導致的亮度變化），但另外一些時候，恆星的亮度竟然會降低20%之多——沒有任何人類已知的行星系統可以產生如此極端、變化如此之大的光變曲線。
處處奇怪
博亞吉安之星的奇異之處遠不止如此。路易斯安娜州立大學的天文學家布拉德利·謝弗（Bradley Schaefer）表示，根據存檔的數據來看，在過去的一個世紀裡，博亞吉安之星亮度下降了15%以上。
謝弗的說法引起了巨大爭議，因為恆星在數十年里亮度發生明顯下降幾乎是不可能的。對於正常的恆星來說，在誕生後長達幾十億年的時間裡，它們的亮度基本是保持不變的。只有在恆星瀕臨死亡的時候，亮度才會有「快速」的變化，這些變化的時間尺度通常也是百萬年量級的。而且，恆星快速的亮度變化還會伴隨著其他標誌性信號，博亞吉安之星也沒有這些信號。根據其他已有的觀測結果，它就是一顆不起眼的中年恆星。事實上，除了亮度下降這點比較奇怪之外，這顆恆星毫無特殊之處。
不過，謝弗的說法得到了天文學家班傑明·T·蒙泰（Benjamin T. Montet）和約書亞·D·西蒙（Joshua D. Simon）的支持，後者重新檢查了這顆恆星的開普勒原始數據。這些數據並不像光變曲線那樣為人所熟知。他們發現，在開普勒持續觀測的4年時間裡，博亞吉安之星變暗了3%。這個現象與短期的亮度下降一樣令人驚奇。
如此看來，我們現在就要解釋兩個奇怪得令人完全摸不著頭腦的現象：恆星在至少4年（也可能是過去的一個世紀）的時間裡緩慢變暗；恆星亮度毫無規律地大幅度降低，持續幾天甚至幾周。雖然天文學家希望這二者可以有一個統一的解釋，但即使單獨一個現象都很難解釋，更別說同時解釋這兩個了。
沒有答案
有許多解釋博亞吉安之星古怪之處的理論，現在我們來考慮一下那些最常被人提到的理論。我們會評判每種理論能否完滿地解釋觀測現象，並主觀地評估一下它們有多大可能是正確的。
猜想一：塵埃和氣體組成的盤
解釋：這種無規律亮度變化和長期的變暗過程，年輕恆星身上也會出現。這些恆星周圍一般都有星周盤（圍繞恆星旋轉、被星光加熱的氣體和塵埃物質組成的盤狀結構）存在。如果我們從側向觀測一個星周盤，那麼這些結構可以使恆星亮度短暫地降低；而如果這個星周盤相對於恆星「上下擺動」，那麼這些結構便可以在長達幾十年甚至幾個世紀的時間裡遮擋住越來越多的星光。
問題：這是顆中年恆星，並不年輕，顯然也不存在星周盤。星周盤在星光的加熱下，會以紅外輻射的形式向周圍空間散發熱量。然而，博亞吉安之星並未顯現出這種紅外超現象（指某個天體發出的紅外輻射比同類型天體多）。
猜想二：一大群彗星
解釋：彗星在一個公轉周期內，有一大半時間是遠離它們主星運行的，再加上彗星公轉軌道的偏心率普遍很大，這樣就可以解釋博亞吉安之星亮度的不規律變化了。
問題：要用同樣的彗星假說來解釋博亞吉安之星亮度的長期變暗，所需要的彗星群將是十分巨大的。這種尺度的彗星群，將不可避免地產生紅外超。然而，現在沒有探測到任何額外的紅外輻射。所以，彗星假說可以解釋短時間內的無規律亮度下降，但是無法解釋恆星長期的變暗過程。
猜想三：一團位於星際介質的雲
解釋：星際空間中散布著很多可以削弱星光的氣體和塵埃。隨著開普勒望遠鏡圍繞太陽旋轉，它的視線方向也在隨之變化。如果在望遠鏡和博亞吉安之星之間存在著一團氣體和塵埃組成的雲，那麼在不同的觀測時間，望遠鏡的視線會穿過這團物質的不同部分，被遮擋的星光也會有所變化。如果這團雲的密度梯度滿足一定條件，就可以在較長時間尺度上使得博亞吉安之星的亮度持續下降；而小範圍的物質聚集也可能引起比較極端的短暫亮度下降。
猜想四：太陽系內的雲
解釋：一個類似的假說認為，這些遮擋了星光的塵埃雲有可能位於我們太陽系的外邊界。
問題：如果是這樣，那麼望遠鏡繞太陽運行的軌道就會讓它的視線每年都穿過一次這片區域。但是，我們並沒有發現亮度下降具有任何周年性。不僅如此，我們也沒有任何理由認為有這樣的一團雲存在。
猜想五：恆星自身的變化
解釋：哥倫比亞大學的天文學家布萊恩·梅茨格（Brian Metzger）和同事與加利福尼亞大學伯克利分校的天文學家們合作，提出了一種解釋：一顆行星或一顆褐矮星和博亞吉安之星發生了碰撞。這種碰撞可以引發恆星暫時的亮度增加。因此，我們所看到的長期變暗現象實際上是恆星緩慢恢復正常亮度的過程。
問題：這種假說並不能解釋無規律的亮度下降，也不能解釋開普勒原始數據中變暗過程的具體細節，但是可以將這些問題留給將來的研究去解決。
猜想六：黑洞
解釋：一個與黑洞有關的解釋可能是這樣的：在我們和博亞吉安之星之間，有一個自由遊蕩的黑洞。假設這個黑洞周圍有一個巨大盤狀結構，類似於土星環，但是比整個太陽系都要大得多。而且盤靠外的部分幾乎是透明的，越靠近內部密度越大。如果在過去的100年里，盤幾乎不可見的外部區域和密度較大的內部區域依次從我們的視線上飄過，那麼就可以使得博亞吉安之星產生我們所看到的長期變暗現象。而無規律的亮度下降則可能是源於黑洞凌星過程中盤上的環、空隙和其他結構投下的影子。
問題：這個解釋還是稍顯牽強。因為到目前為止，沒有觀測證據表明黑洞周圍可以存在這種延伸很廣的盤。但有研究者認為，超新星爆發產生恆星質量的黑洞時，可能的一種副產物就是這種盤。統計學角度的分析也表明，在開普勒連續觀測的四年時間裡，在它所監測的150 000顆恆星中，至少有一顆可能會被這樣一個黑洞遮擋住。因此，我們認為這個理論有一定的可行性。
外星文明巨型工程
為了解釋博亞吉安之星的奇特亮度變化，我們已經考慮了一系列可能的自然原因並指出了它們的缺陷。
現在，我們終於可以來探討這個最為驚人的可能了——外星文明的巨型工程。這種工程結構類似於「戴森球」。
想像一下，一個外星文明建造了數量巨大的能量收集板。這些收集板圍繞在主星周圍，軌道不同，大小各異。其中一些較小的板塊的總體效果就像一塊半透明的螢幕一樣，遮擋一部分星光。
隨著能量板密集和稀疏的部分在我們的視線方向上進進出出，我們就會看到恆星出現各種時間尺度的亮度變化，從幾個小時直至數個世紀。就像天文學家盧克·F·A·阿諾德（Luc F. A. Arnold）曾提出的那樣，某些特別巨大（甚至可能比恆星本身還大）的單體能量板或能量板集群，在凌星的時候會讓恆星亮度明顯下降。在光變曲線上所體現出的形狀則與板塊的幾何構型相關。
不過，這個理論面臨著缺少紅外波段輻射的問題。因為就算是外星文明的巨大工程也需要遵循基本的物理定律，所以這些結構從星光中所吸收的任何能量最終都要以熱量的形式輻射出去。不論這個文明的能量利用率有多高，這個要求都一定成立。因為能量不會憑空消失，所以如果這個文明收集了很多能量，那麼它們終究也要釋放掉很多。
但還是有方法可以讓這個假說成立：這個外星工程可能把它所吸收的能量以射電或雷射的形式輻射出去；能量收集板並不是呈球形環繞在主星周圍的，而是恰好形成了一個與我們視線方向平行的環；這個外星文明的技術已經先進到了我們的物理學還無法理解的地步，它們可以做到絲毫不向外部輻射熱量。因為有大量的未知因素存在，我們很難去驗證這個假說的可靠性。
如果所有與自然現象相關的假說最終都被排除，那麼我們就必須要認真對待這個外星工程結構的假說。或者，如果我們在博亞吉安之星附近探測到了明顯並非自然產生的射電信號，那麼該假說也可以得到有力的支持。相關研究現在已經開始了，博亞吉安正在利用位於西維吉尼亞的綠岸望遠鏡對博亞吉安之星進行觀測。就目前來說，對於這個最為驚人的假說，我們難以裁定它是否成立，因為我們對於設想中的外星生命了解得實在是太少了，根本無法定性地評價這種解釋有多大可能是正確的。
未知但光明的未來
對於博亞吉安之星，我們現在了解了多少呢？
我們現在可以排除掉任何需要紅外超的解釋了，因為並沒有觀測到它的存在；在所有其他解釋都被排除之前，我們也應該拒絕那些需要許多低機率事件，或需要我們引入從未見過的物理機制或天體的理論。
現在要做的是尋找更多的觀測事實。博亞吉安現在已經成為了路易斯安娜州立大學的一名副教授，她充分地利用了大眾對這顆恆星的興趣，利用眾籌的方式在拉斯貢布雷斯天文台全球望遠鏡網絡中買到了觀測時間。這些望遠鏡將會測量光譜中缺失的部分，而這可以告訴我們擋在博亞吉安之星和我們之間的物質的成分。
為了更多了解這顆恆星長期的亮度下降，其他天文學家正在查詢已有的博亞吉安之星亮度觀測數據。如果能了解亮度下降的時標，我們就能給解釋這顆恆星奇特光變曲線的理論加上更多的約束條件，這也可以指導我們如何去搜尋更多的觀測線索。
我們還在等待歐洲空間局的蓋亞衛星的數據，來更準確地測量博亞吉安之星與我們的距離。更精確的距離數據有助於我們排除某些假說。如果這顆恆星與我們的距離小於1300光年，那麼星際介質中的氣體和塵埃造成的消光就不能解釋現在所觀測到的變暗程度。而如果距離超過了1500光年（當前最好的估計結果），那麼我們所看到的長期變暗現象就有可能是我們視線方向上的塵埃所造成的。但如果這顆恆星比1500光年還要遠很多，那麼這顆恆星就比我們現在認為的要亮很多。這就意味著，這種變暗現象有可能是恆星在發生併合以後，回到正常亮度的過程。
除非綠岸望遠鏡、拉斯貢布雷斯天文台和蓋亞衛星的觀測給出更多的信息，限制我們對博亞吉安之星猜測的只有我們的想像力和物理定律。就像自然界中最好的謎題一樣，通往這顆謎之恆星真相的旅途才剛剛開始。
關於「墨子沙龍」
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