第268章 太空望遠鏡（一）
李水旺新一期視頻：
那麼今天我們將首次探討天文觀測技術，以及搜尋地外文明計劃（SETI），也就是尋找地外智慧生命的相關內容，我想我們可以從克卜勒天體輸入星表編號8462852的恆星，也就是塔比星，開始講起。
這顆恆星是克卜勒太空望遠鏡連續多年觀測的眾多恆星之一，2015年末，人們注意到它的亮度出現了一些非常奇特的下降，這與我們此前觀測到的任何天文現象都不相符。
雖然這幾乎可以肯定是一種自然現象，但我們從不排除這種奇特現象可能是觀測誤差或人為干預導致的可能性，因此有人提出，這可能是一個巨型結構，一種由外星文明建造的超大型人造建築。
我經常被問到關於塔比星的問題。探討的兩大主題就是巨型結構和費米悖論——也就是如果宇宙中存在智慧生命，它們都在哪裡的問題。
在天文學和物理學領域，遇到難以用常規原理解釋的奇特謎團，需要等待數年才能獲取足夠證據揭開真相，這是很常見的事。這過程有些枯燥且令人沮喪，但我們已經習慣了。
我之所以改變主意，一方面是因為最近詢問這個問題的人越來越多，另一方面是我們如今掌握了更多相關信息，同時也因為還沒有人對這一情況做出通俗易懂、詳盡細緻的解釋。
為了簡潔而省略的內容，我認為對於理解這一現象至關重要。我們力求通俗易懂，不是通過省略複雜內容，而是耐心將其拆解成易於理解的小塊知識。
今天我們要探討的主題、要解答的問題如下：
1. 什麼是克卜勒太空望遠鏡？
2. 克卜勒望遠鏡如何幫助我們發現系外行星？
3. 它在塔比星上發現了什麼異常現象？
4. 這些信息能告訴我們什麼？
5. 哪些自然現象可以解釋這一異常？
6. 有哪些新的信息和研究進展？
7. 它可能是什麼類型的巨型結構？
我們的第一個主題是**克卜勒太空望遠鏡**。
它於2009年發射進入繞日軌道，它並非圍繞地球運行，而是繞太陽運行，最初位於地球後方稍遠的位置，如今距離地球已超過1億英里。
它在公轉軌道上越來越落後於地球，是因為它距離太陽比地球更遠，而距離恆星越遠，公轉周期就越長。同理，距離恆星越近，或是圍繞質量更大的恆星運行，公轉速度就越快。
這一點對系外行星探測至關重要，但目前來說，這意味著克卜勒望遠鏡已經遠遠落在了地球後方。
這台望遠鏡的觀測目標非常簡單，它是一台光度計，也就是測量天體亮度的儀器。具體來說，克卜勒望遠鏡持續監測約15萬顆恆星的亮度。
這個數字聽起來很大，但它始終觀測著同一片天區，一片非常小的天區，僅占夜空的0.25%。這片天區恰好位於織女星和天津四之間。
你可能知道天津四是天鵝座的尾端恆星，而織女星位於天琴座，這兩顆星都距離大小北斗七星以及北極星勾陳一不遠。
事實上，在冰河時代末期，織女星曾是我們祖先觀測到的北極星，一萬多年後，它將再次成為北極星。地球存在2.6萬年的歲差周期，目前勾陳一是北極星，未來織女星將重新成為北極星。
這也是「水瓶座時代」這類說法的由來，因為太陽在北半球春分時節出現在黃道十二星座中的某一個，而這個位置每隔幾千年就會發生變化，目前正是水瓶座。
克卜勒望遠鏡始終對準這片天區進行全年觀測，持續監測這些恆星的亮度變化，也就是這15萬顆恆星的明暗變化。
這些恆星大多還有其他名稱或星表編號，它們都被收錄在克卜勒天體輸入星表（KIC）中。克卜勒望遠鏡並非用於發現新恆星，而是觀測已知恆星，但由於恆星數量極其龐大，很多恆星並沒有專屬名稱，因此一顆恆星擁有多個星表編號、並以發現特殊現象時所用的編號來稱呼，是很常見的情況。
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之後，這類恆星通常會被賦予一個通俗名稱，以節省時間、避免混淆。
系外行星數量眾多，其中很多編號以GJ開頭，這類編號僅代表恆星所屬的星表。例如GJ星表是德國天文學家威廉·格利澤1957年首次發布的近星星表，並且一直在更新。
毫不意外的是，這些恆星中很多此前沒有其他名稱，也是最容易觀測到行星的恆星。如果我們未來殖民這些恆星，顯然需要重新命名，因為附近大量恆星都以「格利澤+數字」命名，任何殖民地都不會保留這種生硬的編號，就像不會把島嶼隨意命名為阿特拉斯或隨機數字一樣。
幾乎所有系外行星都收錄在少數幾個星表中，這就引出了我們的第二個主題：**尋找系外行星**。
恆星亮度下降的原因有很多，恆星本身的亮度會存在波動，這是普遍現象，但最常見的原因是有天體從恆星前方經過，遮擋了光線。
想要讓恆星亮度明顯下降，這個天體要麼體積足夠大，要麼距離恆星足夠近。例如月球體積比水星小，卻能遮擋更多太陽光。
第一，行星的公轉平面必須朝向地球。如果你站在太陽的兩極方向，就無法看到水星或地球遮擋太陽光，因此我們無法觀測到公轉平面與地球視線夾角過大的系外行星，而這類行星占絕大多數。
人們往往認為太陽系的公轉平面與銀道面重合，但事實並非如此，我們太陽系的公轉平面與銀道面傾斜約60度。
第二，恆星周圍必須存在行星，且這顆行星體積足夠大，或距離母星足夠近，能夠遮擋足夠多的光線，讓我們觀測到亮度變化。這也是最初發現的系外行星幾乎都是體積巨大、近距離圍繞母星運行的「熱木星」的原因，這類行星最容易被觀測到。
行星體積越大，遮擋的光線越多；距離母星越近，遮擋的光線也越多，且運行到恆星與地球之間的概率也越高。
像冥王星這樣體積小、距離母星遙遠的天體，幾乎不可能與恆星、觀測者形成三點一線，體積過小、距離過遠也讓它遮擋的光線微乎其微，而且它的公轉周期極長。
第三，需要長期觀測這些恆星，不僅要觀測到一次亮度下降，還要觀測到這種下降的周期性重複。
對於外星觀測者來說，地球每年會遮擋一次太陽光，而冥王星每隔幾個世紀才會遮擋一次。除非至少觀測到兩次、最好是三次周期性亮度下降，否則無法做出有效判斷。
觀測到至少兩次周期性下降後，就能根據周期確定行星的存在，計算出它的公轉周期，再結合恆星質量，算出它與母星的距離。
之後可以根據恆星的亮度，判斷這顆行星是否處於宜居帶——也就是距離母星遠近適中、表面可能存在液態水而非冰凍或沸騰的區域。
如果地球圍繞一顆質量更大的恆星運行，且距離不變，那麼地球的公轉周期會更短，同時地球也會被高溫焚毀，因為質量更大的恆星亮度會呈指數級提升。
一顆質量是太陽兩倍的恆星，亮度並非太陽的兩倍，而是約十倍。我們也不可能存在於這樣的恆星周圍，因為質量兩倍於太陽的恆星壽命僅10億年多一點，而太陽的年齡是46億年。
太陽誕生40億年後，地球上才出現最初的動物，還不是複雜動物，海綿通常被認為是地球上最早的動物。
因此，我們並非只是尋找遙遠恆星周圍的行星，過去十年我們已經發現了數千顆系外行星，我們真正尋找的是每一個恆星系統中宜居帶內的行星。
克卜勒望遠鏡採用的凌日法是探測系外行星的有效方法之一。例如，如果我們觀測到一顆質量約為太陽一半、亮度約為太陽五倍的恆星，每750天出現一次持續一天左右、亮度下降不到1%的情況，就可以判斷這顆恆星周圍存在一顆大小與地球相近的行星，距離母星約1.8個天文單位，也就是日地距離的1.8倍。
這顆行星接收到的恆星輻射量約為地球的1.5倍，溫度較高，但或許仍處於宜居範圍。
我們不會關注遮擋光線超過1%的行星，因為這類行星體積過大，不可能是宜居的岩質行星；而遮擋光線遠超過1%的天體，體積會極其龐大，即便在那樣的軌道上，也遠超氣態巨行星的尺寸。
當我們連續數年、每天收集15萬顆恆星的觀測數據時，不會直接查看原始數據，而是通過計算機篩選出我們需要的信息。
接下來進入第三個主題：**塔比星的異常現象**。
塔比星的質量是太陽的1.5倍，亮度是太陽的五倍，我們觀測到它出現了兩次異常亮度下降：第一次下降幅度為15%，第二次為22%。
第一次下降發生在2011年3月，第二次在2013年2月，兩次間隔約750天。
克卜勒望遠鏡於2009年3月發射，因此我們恰好錯過了2009年的那次可能的亮度下降；而2015年4月望遠鏡出現故障，又錯過了當年的下降。
2017年5月我們再次觀測到了亮度下降，這次下降幅度極大，且完全不符合宜居帶類地行星的特徵。
以這樣的公轉周期和距離，這顆天體接收到的輻射量比金星還多，體積也遠大於木星。
第二次大幅亮度下降的過程極不規則，亮度先大幅下降，再輕微回升，隨後又繼續下降，這種表現更像是雙行星同時凌日，或是多顆行星偶然匯合後一同從恆星前方經過。
在此之前，沒有人預測到這一現象會發生，而發現這一異常的，是「行星獵人」項目中手動篩查數據的公民科學家志願者。
「公民科學家」只是一個好聽的說法，我更願意稱他們為業餘天文學家，天文學發展一直以來都離不開業餘愛好者的貢獻。無論如何，我很讚賞這種讓更多人參與到行星探測中的舉措。
眾籌資金和志願者參與，正逐漸成為政府或大型企業研究之外的一種可行替代方式，尤其在搜尋地外文明和天文學領域，我認為這一趨勢極具意義，未來也會有更多相關探討。
我們沒能及時觀測到2015年初的第三次亮度下降，否則可以在克卜勒望遠鏡故障期間，用其他設備進行觀測。
當天文學家發現這一異常時，都感到極為震驚，這顆恆星也因此被戲稱為「WTF星」，官方說法是「亮度異常波動之星」，我個人更傾向於直譯「到底是什麼情況」。
最終，人們不再使用它的克卜勒星表編號或這個非正式暱稱，而是以研究團隊的第一作者、天文學家塔比莎·博亞吉安的名字命名它為「塔比星」。
她也主導了眾籌項目，籌集資金用更多設備、在更多波段對這顆恆星進行詳細觀測。
這就是塔比星的異常現象，我們恰好錯過了2009年克卜勒發射前的那次下降，又因設備故障錯過了2015年的下降，因此目前掌握的數據依然有限。
第四個主題：**這些觀測數據能告訴我們什麼**。
首先，如前所述，在這樣的軌道距離上（略小於日地距離的兩倍）出現如此大幅度的亮度下降，說明遮擋天體的體積極其龐大，遠大於木星。
其次，這個天體接收到的輻射量比地球多50%，溫度更高。
需要說明的是，塔比星是一顆F型主序星，或是處於演化晚期的亞巨星，它的亮度略高於同質量的主序星，但遠不及紅巨星。
此前人們認為這是一顆接近生命末期的年老恆星，但這一觀點近期受到了質疑，後續會詳細說明。
這類質量的恆星壽命約30億年，而太陽的年齡是46億年。這裡我要先強調一個和外星假說相關的關鍵點：這顆恆星的最大壽命，差不多相當於地球上多細胞生命剛剛出現時太陽的壽命。
那麼今天我們將首次探討天文觀測技術，以及搜尋地外文明計劃（SETI），也就是尋找地外智慧生命的相關內容，我想我們可以從克卜勒天體輸入星表編號8462852的恆星，也就是塔比星，開始講起。
這顆恆星是克卜勒太空望遠鏡連續多年觀測的眾多恆星之一，2015年末，人們注意到它的亮度出現了一些非常奇特的下降，這與我們此前觀測到的任何天文現象都不相符。
雖然這幾乎可以肯定是一種自然現象，但我們從不排除這種奇特現象可能是觀測誤差或人為干預導致的可能性，因此有人提出，這可能是一個巨型結構，一種由外星文明建造的超大型人造建築。
我經常被問到關於塔比星的問題。探討的兩大主題就是巨型結構和費米悖論——也就是如果宇宙中存在智慧生命，它們都在哪裡的問題。
在天文學和物理學領域，遇到難以用常規原理解釋的奇特謎團，需要等待數年才能獲取足夠證據揭開真相，這是很常見的事。這過程有些枯燥且令人沮喪，但我們已經習慣了。
我之所以改變主意，一方面是因為最近詢問這個問題的人越來越多，另一方面是我們如今掌握了更多相關信息，同時也因為還沒有人對這一情況做出通俗易懂、詳盡細緻的解釋。
為了簡潔而省略的內容，我認為對於理解這一現象至關重要。我們力求通俗易懂，不是通過省略複雜內容，而是耐心將其拆解成易於理解的小塊知識。
今天我們要探討的主題、要解答的問題如下：
1. 什麼是克卜勒太空望遠鏡？
2. 克卜勒望遠鏡如何幫助我們發現系外行星？
3. 它在塔比星上發現了什麼異常現象？
4. 這些信息能告訴我們什麼？
5. 哪些自然現象可以解釋這一異常？
6. 有哪些新的信息和研究進展？
7. 它可能是什麼類型的巨型結構？
我們的第一個主題是**克卜勒太空望遠鏡**。
它於2009年發射進入繞日軌道，它並非圍繞地球運行，而是繞太陽運行，最初位於地球後方稍遠的位置，如今距離地球已超過1億英里。
它在公轉軌道上越來越落後於地球，是因為它距離太陽比地球更遠，而距離恆星越遠，公轉周期就越長。同理，距離恆星越近，或是圍繞質量更大的恆星運行，公轉速度就越快。
這一點對系外行星探測至關重要，但目前來說，這意味著克卜勒望遠鏡已經遠遠落在了地球後方。
這台望遠鏡的觀測目標非常簡單，它是一台光度計，也就是測量天體亮度的儀器。具體來說，克卜勒望遠鏡持續監測約15萬顆恆星的亮度。
這個數字聽起來很大，但它始終觀測著同一片天區，一片非常小的天區，僅占夜空的0.25%。這片天區恰好位於織女星和天津四之間。
你可能知道天津四是天鵝座的尾端恆星，而織女星位於天琴座，這兩顆星都距離大小北斗七星以及北極星勾陳一不遠。
事實上，在冰河時代末期，織女星曾是我們祖先觀測到的北極星，一萬多年後，它將再次成為北極星。地球存在2.6萬年的歲差周期，目前勾陳一是北極星，未來織女星將重新成為北極星。
這也是「水瓶座時代」這類說法的由來，因為太陽在北半球春分時節出現在黃道十二星座中的某一個，而這個位置每隔幾千年就會發生變化，目前正是水瓶座。
克卜勒望遠鏡始終對準這片天區進行全年觀測，持續監測這些恆星的亮度變化，也就是這15萬顆恆星的明暗變化。
這些恆星大多還有其他名稱或星表編號，它們都被收錄在克卜勒天體輸入星表（KIC）中。克卜勒望遠鏡並非用於發現新恆星，而是觀測已知恆星，但由於恆星數量極其龐大，很多恆星並沒有專屬名稱，因此一顆恆星擁有多個星表編號、並以發現特殊現象時所用的編號來稱呼，是很常見的情況。
（由於緩存原因，請用戶直接瀏覽器訪問 追書神器 TW 看書網，𝕤𝕙𝕦.𝕥𝕨超流暢 網站，觀看最快的章節更新）
之後，這類恆星通常會被賦予一個通俗名稱，以節省時間、避免混淆。
系外行星數量眾多，其中很多編號以GJ開頭，這類編號僅代表恆星所屬的星表。例如GJ星表是德國天文學家威廉·格利澤1957年首次發布的近星星表，並且一直在更新。
毫不意外的是，這些恆星中很多此前沒有其他名稱，也是最容易觀測到行星的恆星。如果我們未來殖民這些恆星，顯然需要重新命名，因為附近大量恆星都以「格利澤+數字」命名，任何殖民地都不會保留這種生硬的編號，就像不會把島嶼隨意命名為阿特拉斯或隨機數字一樣。
幾乎所有系外行星都收錄在少數幾個星表中，這就引出了我們的第二個主題：**尋找系外行星**。
恆星亮度下降的原因有很多，恆星本身的亮度會存在波動，這是普遍現象，但最常見的原因是有天體從恆星前方經過，遮擋了光線。
想要讓恆星亮度明顯下降，這個天體要麼體積足夠大，要麼距離恆星足夠近。例如月球體積比水星小，卻能遮擋更多太陽光。
第一，行星的公轉平面必須朝向地球。如果你站在太陽的兩極方向，就無法看到水星或地球遮擋太陽光，因此我們無法觀測到公轉平面與地球視線夾角過大的系外行星，而這類行星占絕大多數。
人們往往認為太陽系的公轉平面與銀道面重合，但事實並非如此，我們太陽系的公轉平面與銀道面傾斜約60度。
第二，恆星周圍必須存在行星，且這顆行星體積足夠大，或距離母星足夠近，能夠遮擋足夠多的光線，讓我們觀測到亮度變化。這也是最初發現的系外行星幾乎都是體積巨大、近距離圍繞母星運行的「熱木星」的原因，這類行星最容易被觀測到。
行星體積越大，遮擋的光線越多；距離母星越近，遮擋的光線也越多，且運行到恆星與地球之間的概率也越高。
像冥王星這樣體積小、距離母星遙遠的天體，幾乎不可能與恆星、觀測者形成三點一線，體積過小、距離過遠也讓它遮擋的光線微乎其微，而且它的公轉周期極長。
第三，需要長期觀測這些恆星，不僅要觀測到一次亮度下降，還要觀測到這種下降的周期性重複。
對於外星觀測者來說，地球每年會遮擋一次太陽光，而冥王星每隔幾個世紀才會遮擋一次。除非至少觀測到兩次、最好是三次周期性亮度下降，否則無法做出有效判斷。
觀測到至少兩次周期性下降後，就能根據周期確定行星的存在，計算出它的公轉周期，再結合恆星質量，算出它與母星的距離。
之後可以根據恆星的亮度，判斷這顆行星是否處於宜居帶——也就是距離母星遠近適中、表面可能存在液態水而非冰凍或沸騰的區域。
如果地球圍繞一顆質量更大的恆星運行，且距離不變，那麼地球的公轉周期會更短，同時地球也會被高溫焚毀，因為質量更大的恆星亮度會呈指數級提升。
一顆質量是太陽兩倍的恆星，亮度並非太陽的兩倍，而是約十倍。我們也不可能存在於這樣的恆星周圍，因為質量兩倍於太陽的恆星壽命僅10億年多一點，而太陽的年齡是46億年。
太陽誕生40億年後，地球上才出現最初的動物，還不是複雜動物，海綿通常被認為是地球上最早的動物。
因此，我們並非只是尋找遙遠恆星周圍的行星，過去十年我們已經發現了數千顆系外行星，我們真正尋找的是每一個恆星系統中宜居帶內的行星。
克卜勒望遠鏡採用的凌日法是探測系外行星的有效方法之一。例如，如果我們觀測到一顆質量約為太陽一半、亮度約為太陽五倍的恆星，每750天出現一次持續一天左右、亮度下降不到1%的情況，就可以判斷這顆恆星周圍存在一顆大小與地球相近的行星，距離母星約1.8個天文單位，也就是日地距離的1.8倍。
這顆行星接收到的恆星輻射量約為地球的1.5倍，溫度較高，但或許仍處於宜居範圍。
我們不會關注遮擋光線超過1%的行星，因為這類行星體積過大，不可能是宜居的岩質行星；而遮擋光線遠超過1%的天體，體積會極其龐大，即便在那樣的軌道上，也遠超氣態巨行星的尺寸。
當我們連續數年、每天收集15萬顆恆星的觀測數據時，不會直接查看原始數據，而是通過計算機篩選出我們需要的信息。
接下來進入第三個主題：**塔比星的異常現象**。
塔比星的質量是太陽的1.5倍，亮度是太陽的五倍，我們觀測到它出現了兩次異常亮度下降：第一次下降幅度為15%，第二次為22%。
第一次下降發生在2011年3月，第二次在2013年2月，兩次間隔約750天。
克卜勒望遠鏡於2009年3月發射，因此我們恰好錯過了2009年的那次可能的亮度下降；而2015年4月望遠鏡出現故障，又錯過了當年的下降。
2017年5月我們再次觀測到了亮度下降，這次下降幅度極大，且完全不符合宜居帶類地行星的特徵。
以這樣的公轉周期和距離，這顆天體接收到的輻射量比金星還多，體積也遠大於木星。
第二次大幅亮度下降的過程極不規則，亮度先大幅下降，再輕微回升，隨後又繼續下降，這種表現更像是雙行星同時凌日，或是多顆行星偶然匯合後一同從恆星前方經過。
在此之前，沒有人預測到這一現象會發生，而發現這一異常的，是「行星獵人」項目中手動篩查數據的公民科學家志願者。
「公民科學家」只是一個好聽的說法，我更願意稱他們為業餘天文學家，天文學發展一直以來都離不開業餘愛好者的貢獻。無論如何，我很讚賞這種讓更多人參與到行星探測中的舉措。
眾籌資金和志願者參與，正逐漸成為政府或大型企業研究之外的一種可行替代方式，尤其在搜尋地外文明和天文學領域，我認為這一趨勢極具意義，未來也會有更多相關探討。
我們沒能及時觀測到2015年初的第三次亮度下降，否則可以在克卜勒望遠鏡故障期間，用其他設備進行觀測。
當天文學家發現這一異常時，都感到極為震驚，這顆恆星也因此被戲稱為「WTF星」，官方說法是「亮度異常波動之星」，我個人更傾向於直譯「到底是什麼情況」。
最終，人們不再使用它的克卜勒星表編號或這個非正式暱稱，而是以研究團隊的第一作者、天文學家塔比莎·博亞吉安的名字命名它為「塔比星」。
她也主導了眾籌項目，籌集資金用更多設備、在更多波段對這顆恆星進行詳細觀測。
這就是塔比星的異常現象，我們恰好錯過了2009年克卜勒發射前的那次下降，又因設備故障錯過了2015年的下降，因此目前掌握的數據依然有限。
第四個主題：**這些觀測數據能告訴我們什麼**。
首先，如前所述，在這樣的軌道距離上（略小於日地距離的兩倍）出現如此大幅度的亮度下降，說明遮擋天體的體積極其龐大，遠大於木星。
其次，這個天體接收到的輻射量比地球多50%，溫度更高。
需要說明的是，塔比星是一顆F型主序星，或是處於演化晚期的亞巨星，它的亮度略高於同質量的主序星，但遠不及紅巨星。
此前人們認為這是一顆接近生命末期的年老恆星，但這一觀點近期受到了質疑，後續會詳細說明。
這類質量的恆星壽命約30億年，而太陽的年齡是46億年。這裡我要先強調一個和外星假說相關的關鍵點：這顆恆星的最大壽命，差不多相當於地球上多細胞生命剛剛出現時太陽的壽命。