最亮的星，是谁掩盖了你的光芒？| PRL 论文推荐

作者 Steinn Sigurðsson

翻译 访冬

审校 金庄维

统计分析显示，恒星亮度的诡异变化并非周围结构所致，而与其内部非平衡现象相关。

恒星 KIC8462852（又称 Boyajian 星）的红外（左侧）和紫外（右侧）图像

行星猎人计划（Planet Hunters）是一项由公民科学家参与分析 NASA 开普勒任务（Kepler mission）的公开数据来搜寻行星的项目。开普勒太空望远镜于 2009 年发射升空，通过监测绕行行星遮挡恒星（凌日）时恒星亮度的轻微变化来探测行星。2015 年 9 月，"行星猎人"宣布发现编号 KIC8462852 的恒星（又称 Boyajian 星）有异常显著的长时间变暗现象。行星经过不可能造成这种亮度变化，多数解释认为应该还有其他大型天体围绕该恒星旋转。一些研究人员甚至推测这些物体可能是巨型太阳能板等外星文明产物。然而，没有哪个假设能够给出完美的解释，Boyajian 星的亮度变化至今依然是个谜。

现在，来自伊利诺伊大学香槟分校的 Mohammed Sheikh, Richard Weaver 和 Karin Dahmen 提出了一条可用的线索。他们分析了 Boyajian 星的亮度在 4 年中的波动变化，发现它符合系统在相变临界点附近普遍存在的幂律特征。虽然这一结果并未直接揭示驱动亮度变化的物理过程，但它确实暗示了这种变化可能与恒星内部的非平衡现象相关。

距离地球约 400 秒差距（1 秒差距大约为 3.26 光年）的 Boyajian 星自转周期为 0.88 个地球日，已经存在数亿年之久。它没有近距离的伴星，看起来属于普通的 F3V 主序星，红外波段没有明显的增强。F3 恒星的质量和温度都略高于太阳，通常辐射发光，对流层较薄。开普勒望远镜观测到的首个 Boyajian 星变暗事例就无法由行星经过进行解释，但研究人员当时以为这只是项目初期常见的数据异常。然而数年之后，这颗恒星突然暗淡了 15%，并持续了好几天，这对恒星来说非同寻常。又过了 2 年，它再次变暗 20%，而且这回还伴有结构复杂的亮度变化信号。

这种大幅度亮度变化无法用简单的天体物理模型进行解释。通常，中年主序星不存在自发的大幅度亮度变化。只有年轻得多的恒星（往往处于形成阶段）才被观测到发生类似程度和时长的亮度变化。因此，Boyajian 星的情况极其罕见。如果它的亮度变化源于绕行天体，这个天体的体积就该与 Boyajian 星自身相当。那么首先，这不可能是行星（行星的半径极限为 50000 千米）。而由于 Boyajian 星并没有临近的伴星，于是恒星也可以被排除。当然，弥散结构也可以引起亮度变化，例如围绕恒星的尘埃或碎片盘。但是这种结构会产生特征红外辐射，但对 Boyajian 星的观测并未发现红外波段的明显增强。

开普勒望远镜历时 4 年的观测显示出 Boyajian 星异常的亮度波动。通过分析这种波动的统计特征，Sheikh 等人认为亮度变化的原因是恒星内部的非平衡现象。

研究人员还考虑了其他一些可能，其中，天文学家比较看好的是一群异常大型的彗星恰好经过。这虽然有可能在特殊情况下出现，却无法与 Boyajian 星的光变曲线吻合。况且，这些彗星理应释放大量尘埃，而大家并没有观测到来自尘埃的热辐射。在 Boyajian 星发现之前，研究人员曾假设恒星异常变暗是存在大型外星建筑的信号。这一假说可被证伪，理论上也成立，但这实在让人难以置信。

Sheikh 等人认为 Boyajian 星的这一系列变暗事例是一连串的局部信号，与恒星的天体物理特征无关。作者计算了变暗事例的大量统计参数，包括亮度偏离中值的程度、波动光谱、以及持续时长与亮度变化间的关联。这些参数可以精确地吻合幂次律，暗示 Boyajian 星的亮度下降就像雪崩过程——系统在外力作用下发生突变。科学家在处于相变点附近的非平衡系统中观测到过这种统计规律。例如，位于磁场中的铁磁体在接近临界温度时会发生雪崩现象：当一个电子发生自旋翻转，与磁场方向一致时，它能够触发“自旋翻转雪崩”，引起磁体的宏观性质突变。另外，研究人员在恒星耀斑、伽马射线暴等天体物理现象以及很多其他的生物和物理临界现象中也发现了雪崩效应。雪崩模型预测了关于雪崩的振幅、时长和可能性等统计参数（例如功率谱密度函数和时间轮廓）的普遍行为。这与 Sheikh 团队在恒星变暗事例中发现的规律恰好一致。

Sheikh 等人的发现可能非常重要：这能帮助我们理解驱动亮度波动的过程的本质，即使我们并不知道具体过程是什么。作者推测雪崩效应暗示了一种恒星内部过程。他们还进一步指出这一过程的发生可能是由于恒星接近磁转变的临界点。找到驱动常规主序星强烈变化的新过程既有趣又惊喜，特别是，这类变暗事例的时长和间隔不同寻常。 

与此同时，一项有争议的发现使情况更为复杂：档案数据暗示，该恒星在十年尺度上也在变暗。这就很难符合 Sheikh 等人提出的恒星内部过程模型。而恒星亮度的长期降低很可能与其短期内的大幅变化源于同一物理过程。

由于开普勒望远镜只能进行宽频光谱测定，它可能无法解释 Boyajian 星的变暗。幸运的是，多个针对 Boyajian 星的地面监测项目正在进行，研究人员希望能够在多个波段上实时观测到恒星的大幅变暗事例，检验多种模型的假设。进一步的理论工作应该研究恒星外部发生的过程是否也能解释 Sheikh 团队发现的亮度波动统计规律。

文章来源：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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论文信息

【题目】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.

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

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