宇宙里的普通男孩

編輯導(dǎo)言：

從2020到2021年，地球遭遇了疫情的席卷，人類文明在尋找應(yīng)對策略的同時，也似乎像科幻小說中寫的一樣，或是為了排解困境，或是為了尋找更好的未來可能，更多地將目光投向了星辰大海，在天文發(fā)現(xiàn)和宇宙探索方面取得了不少值得矚目的新成就。于是，本期“科學(xué)”欄目，我們邀請了兩位天文和航天航空領(lǐng)域的科普達(dá)人——成都理工大學(xué)的羅瑞老師和“銀河獎”得主陳梓鈞（在清華大學(xué)航天航空學(xué)院取得了博士學(xué)位），同我們一起暢聊最近的一些宇宙發(fā)現(xiàn)及他們對于未來太空探索的暢想。

2021年1月，美國國家航空航天局（NASA）宣布他們的凌日系外行星勘測衛(wèi)星（TESS）最新發(fā)現(xiàn)了一個六恒星系統(tǒng)TIC 168789840。大概不少幻迷在聽聞這則消息時，內(nèi)心會小小雀躍下，“呀，這是‘三體PLUS版嗎？那里會有文明嗎？要是有文明，又會有什么黑科技嗎？”是的，在科幻作品里，多星系統(tǒng)往往意味著一段傳奇的開始：《三體》中的三星系統(tǒng)造就了苛刻的生存環(huán)境，三體文明于是有了獨(dú)特的存續(xù)方式和征服野心;《星球大戰(zhàn)》系列中塔圖因星球所在的星系擁有兩個太陽，大概基于這樣的原因，塔圖因成了一個常年干旱的沙漠星球，孕育了一堆耐旱的怪異生物;而《星際迷航：皮卡德》這部科幻劇集更是腦洞大開地想象了一個人為制造出來的八恒星系統(tǒng)文明。

幻想作品的天馬行空，往往讓我們產(chǎn)生了錯覺：這些傳奇的多星系統(tǒng)應(yīng)該多是我們的想象，現(xiàn)實(shí)中太陽系這樣一恒星獨(dú)大的系統(tǒng)才是常規(guī)。但實(shí)際上，天文學(xué)家卻要站出來為幻想正名了——我們觀測到的和太陽同類型的恒星中，只有大約45%是和太陽一樣“不合群”的恒星。大約有46%為兩顆恒星組成的雙星，約8%為三顆恒星組成的系統(tǒng)，有1%為四顆恒星組成的系統(tǒng)。甚至不少天文學(xué)家認(rèn)為早期的太陽有一個質(zhì)量差不多的伴星，只是在之后的演化過程中失去這個伴星——你看，老祖宗“后羿射日”的傳說也不是沒有現(xiàn)實(shí)依據(jù)的嘛。在宇宙老母親的懷抱里，多星系統(tǒng)也就是自家的“普娃”一枚，雖然沒有科幻作品演繹的那么富有傳奇色彩，但也絕非什么罕見的怪咖。

“普娃”的真容——多星系統(tǒng)的定義

“普娃”既然在宇宙大家庭里數(shù)量眾多，我們不妨找兩位經(jīng)常在科幻作品里出現(xiàn)的小朋友來亮亮相。首先是太陽系之外全天空最亮的天狼星，它在科幻界也是明星，不僅在多麗絲·萊辛作品《天狼星試驗(yàn)》中與老人星對決，殖民爭霸，還曾出現(xiàn)在大家熟悉的《銀河英雄傳說》和《異形終結(jié)》里。它其實(shí)是由一顆藍(lán)白色主序星和白矮星伴星組成的雙星系統(tǒng)。還有離太陽最近的比鄰星，啊對，就是《流浪地球》里要去的目的地，其實(shí)是一個三星系統(tǒng)。地球流浪的歸處是“三體”，想想似乎還挺帶感。

跳出我們熟悉的幻想形象，我們不妨先來認(rèn)識一下多星系統(tǒng)的真容。多星系統(tǒng)是恒星之間通過引力作用聯(lián)系在一起的復(fù)合天體系統(tǒng)，較常見的是兩顆恒星組成的雙星系統(tǒng)。另外廣義來講，組成多星系統(tǒng)的除了恒星以外也可以是中子星或黑洞這樣的天體。多星系統(tǒng)中的兩顆恒星之間的距離少的可以小于一個天文單位（地球和太陽之間的距離），大的有數(shù)千個天文單位。對應(yīng)的運(yùn)動周期差別也很大，短的周期只有幾個小時，而有的周期可達(dá)數(shù)千年。順道說一下，雙星之間的相互旋轉(zhuǎn)繞行會將能量以引力波的形式釋放出去，這個過程中雙星之間的距離越來越小，最終發(fā)生雙星合并這樣的天文學(xué)現(xiàn)象，在雙星合并的最后一瞬間所釋放的引力波強(qiáng)度是最大的。像LIGO這樣的引力波探測裝置探測到的引力波波源常常就是兩顆中子星或者黑洞組成的雙星合并的事件。

對于雙星系統(tǒng)，兩顆恒星是繞著它們的質(zhì)量中心為焦點(diǎn)的兩個橢圓軌道做周期性運(yùn)動的。三星或更多恒星組成的多恒星系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律比較復(fù)雜，目前還沒有解析解，一般是通過計(jì)算機(jī)程序模擬。幸好三恒星和多恒星系統(tǒng)中的恒星之間的距離一般差別較大，比如三星系統(tǒng)離得最近的兩顆恒星之間的距離可能是他們離第三顆恒星之間距離的數(shù)百到數(shù)千分之一。對這樣的系統(tǒng)，我們在分析離得較遠(yuǎn)的恒星運(yùn)動規(guī)律的時候，可以將離得近的那兩顆恒星合并當(dāng)作一顆恒星來做近似計(jì)算。這樣也就可以將它們看成“有層次”的雙星系統(tǒng)了。

要注意的是天空中看上去位置接近的兩顆星大多并不是雙星，它們只是碰巧在地球上看上去差不多在一條直線上而已。1802年天文學(xué)家威廉·赫歇耳（天王星的發(fā)現(xiàn)者）首先提出了雙星的概念，他觀察發(fā)現(xiàn)了超過700顆的雙星，其中比較著名的是雙子座α星。經(jīng)過現(xiàn)代更深入的觀測研究，我們發(fā)現(xiàn)雙子座α星實(shí)際是一個復(fù)雜的六星系統(tǒng)：兩個最明顯光點(diǎn)都是一顆恒星和一顆紅矮星組成的雙星系統(tǒng)，在這之外還有兩顆紅矮星相互旋轉(zhuǎn)繞行組成另外一個雙星系統(tǒng)，它們合起來組成了一個六星系統(tǒng)。

讓我看看你——多星系統(tǒng)的觀測方法

確定一個天體是雙星的方法很多，首先最直接的辦法就是“看”。當(dāng)然，這需要借助天文望遠(yuǎn)鏡等專業(yè)設(shè)備，不是肉眼裸看能達(dá)到的境界。如果這個天體離我們不太遠(yuǎn)，兩顆恒星的光點(diǎn)可以明顯區(qū)分開來，且它們的繞行周期不太長的話，我們就可以通過直接觀測他們運(yùn)動的軌道從而確定它們是雙星。比如半人馬座α星為一顆較亮的恒星和一顆較暗的恒星組成的雙星系統(tǒng)，它們的繞行周期為大約80年，天文學(xué)家觀測到其中較暗的伴星在過去的幾十年內(nèi)按照一個橢圓軌道運(yùn)動，從而確定它是一個雙星系統(tǒng)。

還有另一個類似的辦法是天體測量法。這個方法同樣是測量天體的位置變化，但更適于那些伴星亮度遠(yuǎn)小于主星的情況，比如天狼星就是這樣的情況。在過去一百多年的時間內(nèi)，天文學(xué)家觀測到天狼星A的運(yùn)動軌跡并非一條直線，這就顯示還有一顆伴星（天狼星B）的存在。天狼星B是一顆白矮星，亮度只有天狼星的十萬分之一，其運(yùn)動軌跡顯示兩顆星之間的引力作用很明顯。

對于那些距離地球數(shù)百、數(shù)千光年的雙星，以上的方法就不太靈光了。這里另一種觀測雙星的方法是光譜法。雙星在相互繞行的時候如果速度有地球上觀測它的視線方向的分量，則其發(fā)出的光會有多普勒效應(yīng)，天文學(xué)家可以通過觀測光譜中特定的吸收譜線的紅移和藍(lán)移，若紅移和藍(lán)移數(shù)值較大且成周期性變化，則可以提示我們這是一個雙星系統(tǒng)。需要說明的是雙星系統(tǒng)的繞行速度可以達(dá)到一千米每秒的量級，而多普勒效應(yīng)的測量速度精度可以達(dá)到一米每秒。光譜法主要適用于那些繞行周期為幾天到幾十天的雙星。

光譜法的一個問題是由于設(shè)備的局限，無法大規(guī)模的追蹤目標(biāo)。這一缺陷可以部分用掩食法來彌補(bǔ)。掩食法指的是雙星進(jìn)行繞行的時候，如果軌道平面和地球觀測它們的視線夾角不大的話，雙星可能出現(xiàn)相互遮擋，導(dǎo)致觀測到的亮度成周期性減弱。我們可以通過分析天體目標(biāo)的時序數(shù)據(jù)，即光變曲線來確認(rèn)該目標(biāo)是否為雙星。很大一部分組成雙星的兩顆恒星的亮度差別較大，造成較暗的恒星遮擋較亮恒星的時候，亮度的減弱要比較亮的恒星遮擋較暗的恒星的時候的亮度的減弱更為明顯。這是雙星光變曲線的一個顯著特點(diǎn)，可以幫助我們把雙星掩食和其他天文現(xiàn)象，如系外行星掩食、變星等區(qū)分開來。當(dāng)然，掩食法的一個重要問題在于如果雙星的軌道平面和從地球上觀測它的視線夾角較大的話，掩食現(xiàn)象就不能被我們觀測到。同樣，如果雙星繞行的周期過于長，我們也需要等待很長時間才能確定這是一個掩食雙星的光變曲線信號。

TESS與新發(fā)現(xiàn)的六星TIC 168789840

于2018年發(fā)射的凌日系外行星勘測衛(wèi)星（TESS）是以巡天方式進(jìn)行觀測的空間天文望遠(yuǎn)鏡。和它的前輩開普勒衛(wèi)星相比，它的造價(jià)只有開普勒的1/3，分辨率也比開普勒差了5倍，但它的優(yōu)勢是幾乎覆蓋全天的觀測：它可以同時觀測96度×24度的天空，稱為一個“扇區(qū)”（sector）。目前TESS衛(wèi)星已經(jīng)完成了它第一期，時長為兩年多的觀測任務(wù)，在這兩年時間內(nèi)，它將天空分成26個部分重疊的扇區(qū)，每個扇區(qū)連續(xù)觀測大約27天，總共覆蓋85%的天空，包括約兩千萬個目標(biāo)。其產(chǎn)生的一個重要的數(shù)據(jù)就是天體目標(biāo)的光變曲線。對于全天所有覆蓋的目標(biāo)，TESS可提供每30分鐘一個數(shù)據(jù)點(diǎn)的時序數(shù)據(jù);對一些特定對象，還有每2分鐘一個數(shù)據(jù)點(diǎn)的時序數(shù)據(jù)。TESS衛(wèi)星最主要的目的是觀測系外行星的光變曲線信號，但同時也能獲得雙星、變星和其他天體物理現(xiàn)象的時序數(shù)據(jù)。

今年1月天文學(xué)家在分析TESS光變曲線的時候發(fā)現(xiàn)一個掩食六星。前面說過，在光變曲線中發(fā)現(xiàn)雙星的條件之一是雙星的繞行軌道平面和地球觀測它的視線夾角足夠小，繞行周期也不能太長。那么對掩食六星來說，則需要這六顆星的軌道都滿足這兩個條件我們才能觀測確定它們，這樣的條件還是非常苛刻的。標(biāo)號為TIC 168789840的目標(biāo)就恰好滿足這樣的條件，這也是依賴了TESS的全天觀測范圍，所謂的“大力出奇跡”。但是要注意的是這并不是科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)六星系統(tǒng)，包括前面提到的半人馬座α星在內(nèi)，人們之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有17個六星系統(tǒng)了。

在TESS產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中，天文學(xué)家使用了一種“一維殘差卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”模型來分析TESS的光變曲線，在眾多目標(biāo)中鎖定了TIC 168789840。殘差卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，諸如圖像分類的任務(wù)里有著很好的性能。而在光變曲線中識別多星系統(tǒng)的任務(wù)中，由于光變曲線是一維數(shù)據(jù)，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用了一維卷積的變形形式，效果仍然很好。天文學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)六星系統(tǒng)TIC 168789840的光變曲線是由三個不同周期的掩食信號混合而成，通過曲線擬合、逐個消除不同周期信號的方法，得到組成六星的三組雙星的周期分別為1.57天、8.22天和1.31天。同時，地面的天文臺也做了跟進(jìn)的光譜觀測，確定了分析光變曲線得到的周期，并分析得出了三組雙星的繞行速度分別為48km/s、10.2km/s和58km/s。另外坐落在智利的南部天體物理學(xué)研究望遠(yuǎn)鏡對TIC 168789840進(jìn)行了散斑成像觀測。

天文學(xué)家將眾多觀測數(shù)據(jù)放在一起，用馬爾科夫鏈蒙特卡洛（MCMC）模型分析得這個組成六星系統(tǒng)的三組雙星都是由一個較大（約1.3倍太陽質(zhì)量，1.5倍太陽半徑，表面溫度6400K）的主星和一個較?。s0.6倍太陽質(zhì)量，0.5倍太陽半徑，表面溫度4000K）的伴星組成。其中距離較近的兩組雙星又形成一個四星系統(tǒng)，以約4年的周期相互繞行，另外一組雙星距離較遠(yuǎn)，和這個四星系統(tǒng)以約2000年的周期相互繞行。另外還測量得出它們的年齡大約為30億年，距離我們約2000光年。

長期以來，多星系統(tǒng)如何形成的一直是一個有爭議的問題。我們注意到這個新發(fā)現(xiàn)的六星系統(tǒng)中的三組雙星的主星和伴星的參數(shù)都非常類似，這提示我們這樣的雙星系統(tǒng)是有共同的起源而非依靠引力相互捕獲的。通過觀測處于幼年時期的多星系統(tǒng)，或許能幫助我們搞清楚太陽是否從前也有一個“小伙伴”。

徜徉于宇宙星海，至今未發(fā)現(xiàn)同伴的人類文明一直在踽踽前行。大概正是這樣的孑然感令我們對宇宙的奧妙充滿了好奇，從而不斷向深空探索。雖然多星的神秘面紗還只是挑起了神秘一角，成百上千光年外那些星系的模樣更多還只是幻想作品里的奇觀，那里是否存在類地行星，是否有高智慧的文明，是否有適宜人類居住的環(huán)境，都還是有待更多探索的未知。但隨著科技的進(jìn)步和人類的不斷探索，也許總有一天，我們的幻想會一點(diǎn)點(diǎn)走近現(xiàn)實(shí)。

【責(zé)任編輯：艾 珂】