最亮的星，是誰掩蓋了你的光芒？

作者 Steinn Siguresson

翻譯 訪冬

審校 金庄維

統計分析顯示，恆星亮度的詭異變化並非周圍結構所致，而與其內部非平衡現象相關。

恆星 KIC8462852（又稱 Boyajian 星）的紅外（左側）和紫外（右側）圖像

行星獵人計劃（Planet Hunters）是一項由公民科學家參與分析 NASA 開普勒任務（Kepler mission）的公開數據來搜尋行星的項目。開普勒太空望遠鏡於 2009 年發射升空，通過監測繞行行星遮擋恆星（凌日）時恆星亮度的輕微變化來探測行星。2015 年 9 月，"行星獵人"宣布發現編號 KIC8462852 的恆星（又稱 Boyajian 星）有異常顯著的長時間變暗現象。行星經過不可能造成這種亮度變化，多數解釋認為應該還有其他大型天體圍繞該恆星旋轉。一些研究人員甚至推測這些物體可能是巨型太陽能板等外星文明產物。然而，沒有哪個假設能夠給出完美的解釋，Boyajian 星的亮度變化至今依然是個謎。

現在，來自伊利諾伊大學香檳分校的 Mohammed Sheikh, Richard Weaver 和 Karin Dahmen 提出了一條可用的線索。他們分析了 Boyajian 星的亮度在 4 年中的波動變化，發現它符合系統在相變臨界點附近普遍存在的冪律特徵。雖然這一結果並未直接揭示驅動亮度變化的物理過程，但它確實暗示了這種變化可能與恆星內部的非平衡現象相關。

距離地球約 400 秒差距（1 秒差距大約為 3.26 光年）的 Boyajian 星自轉周期為 0.88 個地球日，已經存在數億年之久。它沒有近距離的伴星，看起來屬於普通的 F3V 主序星，紅外波段沒有明顯的增強。F3 恆星的質量和溫度都略高於太陽，通常輻射發光，對流層較薄。開普勒望遠鏡觀測到的首個 Boyajian 星變暗事例就無法由行星經過進行解釋，但研究人員當時以為這只是項目初期常見的數據異常。然而數年之後，這顆恆星突然暗淡了 15%，並持續了好幾天，這對恆星來說非同尋常。又過了 2 年，它再次變暗 20%，而且這回還伴有結構複雜的亮度變化信號。

這種大幅度亮度變化無法用簡單的天體物理模型進行解釋。通常，中年主序星不存在自發的大幅度亮度變化。只有年輕得多的恆星（往往處於形成階段）才被觀測到發生類似程度和時長的亮度變化。因此，Boyajian 星的情況極其罕見。如果它的亮度變化源於繞行天體，這個天體的體積就該與 Boyajian 星自身相當。那麼首先，這不可能是行星（行星的半徑極限為 50000 千米）。而由於 Boyajian 星並沒有臨近的伴星，於是恆星也可以被排除。當然，彌散結構也可以引起亮度變化，例如圍繞恆星的塵埃或碎片盤。但是這種結構會產生特徵紅外輻射，但對 Boyajian 星的觀測並未發現紅外波段的明顯增強。

開普勒望遠鏡歷時 4 年的觀測顯示出 Boyajian 星異常的亮度波動。通過分析這種波動的統計特徵，Sheikh 等人認為亮度變化的原因是恆星內部的非平衡現象。

研究人員還考慮了其他一些可能，其中，天文學家比較看好的是一群異常大型的彗星恰好經過。這雖然有可能在特殊情況下出現，卻無法與 Boyajian 星的光變曲線吻合。況且，這些彗星理應釋放大量塵埃，而大家並沒有觀測到來自塵埃的熱輻射。在 Boyajian 星發現之前，研究人員曾假設恆星異常變暗是存在大型外星建築的信號。這一假說可被證偽，理論上也成立，但這實在讓人難以置信。

Sheikh 等人認為 Boyajian 星的這一系列變暗事例是一連串的局部信號，與恆星的天體物理特徵無關。作者計算了變暗事例的大量統計參數，包括亮度偏離中值的程度、波動光譜、以及持續時長與亮度變化間的關聯。這些參數可以精確地吻合冪次律，暗示 Boyajian 星的亮度下降就像雪崩過程——系統在外力作用下發生突變。科學家在處於相變點附近的非平衡系統中觀測到過這種統計規律。例如，位於磁場中的鐵磁體在接近臨界溫度時會發生雪崩現象：當一個電子發生自旋翻轉，與磁場方向一致時，它能夠觸發「自旋翻轉雪崩」，引起磁體的宏觀性質突變。另外，研究人員在恆星耀斑、伽馬射線暴等天體物理現象以及很多其他的生物和物理臨界現象中也發現了雪崩效應。雪崩模型預測了關於雪崩的振幅、時長和可能性等統計參數（例如功率譜密度函數和時間輪廓）的普遍行為。這與 Sheikh 團隊在恆星變暗事例中發現的規律恰好一致。

Sheikh 等人的發現可能非常重要：這能幫助我們理解驅動亮度波動的過程的本質，即使我們並不知道具體過程是什麼。作者推測雪崩效應暗示了一種恆星內部過程。他們還進一步指出這一過程的發生可能是由於恆星接近磁轉變的臨界點。找到驅動常規主序星強烈變化的新過程既有趣又驚喜，特別是，這類變暗事例的時長和間隔不同尋常。

與此同時，一項有爭議的發現使情況更為複雜：檔案數據暗示，該恆星在十年尺度上也在變暗。這就很難符合 Sheikh 等人提出的恆星內部過程模型。而恆星亮度的長期降低很可能與其短期內的大幅變化源於同一物理過程。

由於開普勒望遠鏡只能進行寬頻光譜測定，它可能無法解釋 Boyajian 星的變暗。幸運的是，多個針對 Boyajian 星的地面監測項目正在進行，研究人員希望能夠在多個波段上實時觀測到恆星的大幅變暗事例，檢驗多種模型的假設。進一步的理論工作應該研究恆星外部發生的過程是否也能解釋 Sheikh 團隊發現的亮度波動統計規律。

文章來源：http://physics.aps.org/articles/v9/150#c2

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本文地址http://www.keyanquan.net/thesis/detail/641

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論文信息

【題目】Avalanche Statistics Identify Intrinsic Stellar Processes near Criticality in KIC 8462852

【作者】Mohammed A. Sheikh, Richard L. Weaver, and Karin A. Dahmen

【期刊】Phys. Rev. Lett.

【日期】19 December 2016

【DOI】10.1103/PhysRevLett.117.261101

【摘要】The star KIC8462852 (Tabby』s star) has shown anomalous drops in light flux. We perform a statistical analysis of the more numerous smaller dimming events by using methods found useful for avalanches in ferromagnetism and plastic flow. Scaling exponents for avalanche statistics and temporal profiles of the flux during the dimming events are close to mean field predictions. Scaling collapses suggest that this star may be near a nonequilibrium critical point. The large events are interpreted as avalanches marked by modified dynamics, limited by the system size, and not within the scaling regime.

【鏈接】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.261101