Dziwne sygnały z odległej gwiazdy

W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Pewnego spokojnego jesiennego popołudnia 2014 roku, kiedy drzewa zmieniały kolor z zielonego na żółty, na wydziale astronomii Pennsylvania State University pojawiła się Tabetha Boyajian i opowiedziała o swoim niezwykłym odkryciu. Idylliczny krajobraz stał się idealnym miejscem na spotkanie, które zmieniło bieg naszej działalności naukowej.

Boyajian, odbywająca wówczas staż po doktoracie na Yale University, pokazała niewytłumaczalne fluktuacje światła gwiazdy monitorowanej przez wystrzelony przez NASA teleskop Kepler, którego zadaniem było poszukiwanie planet. Wahania jasności nie wyglądały na zmiany wywołane przez planetę, która przesuwa się między gwiazdą a teleskopem. Boyajian wykluczyła też inne przyczyny, w tym usterki w sprzęcie satelity, szukała więc nowych pomysłów.

Jeden z nas (Wright) zasugerował coś bardzo niekonwencjonalnego: być może powodem zmian jasności gwiazdy nie są procesy naturalne, ale technologia obcej cywilizacji. W latach 60. fizyk Freeman Dyson wysunął hipotezę, że zaawansowane, łaknące energii cywilizacje mogą ukryć swe macierzyste gwiazdy w kolektorach słonecznych – zwanych później sferami Dysona – pochłaniając praktycznie całe ich promieniowanie. Czy to możliwe, że ciemniejąca gwiazda okazała się pierwszym dowodem na to, że inne kultury kosmiczne to coś więcej niż tylko fantastyka naukowa?

Gwiazda, która tak zaintrygowała Boyajian – obecnie nazywana już oficjalnie gwiazdą Boyajian, a nieoficjalnie gwiazdą Tabby – przykuła uwagę zarówno astronomów, jak i ogółu społeczeństwa. Podobnie jak w przypadku innych wielkich zagadek, wymyślono ogromną liczbę możliwych rozwiązań, z których żadne nie wyjaśniło całkowicie dziwnych wyników obserwacji. Być może przyczyną niezwykłego zachowania gwiazdy nie jest żadne ze znanych zjawisk astronomicznych.

Odkryta w skarbnicy Keplera

Zanim wystrzelono teleskop Kepler w 2009 roku, astronomowie żmudnie odkrywali nowe egzoplanety jedna po drugiej, niczym wędkarze wyławiający pojedyncze ryby. Keplera można porównać do trawlera, który zgarnia jednocześnie tysiące ryb.

Przez cztery lata teleskop obserwował nieprzerwanie gwiazdy z małego wycinka Drogi Mlecznej, poszukując „tranzytów” planetarnych, w których trakcie planety, dzięki szczęśliwemu ustawieniu, przesuwają się przed tarczami ich macierzystych gwiazd i blokują część docierającego do Ziemi światła. Przedstawione graficznie zmiany jasności gwiazdy w czasie noszą nazwę krzywej blasku. Jeżeli gwiazda nie ma tranzytującej planety, krzywa ta jest poziomą linią prostą. Dodajmy tranzytującą planetę, a na krzywej blasku wystąpią osłabienia światła w kształcie litery U. Czas trwania, odstępy czasowe i stopień osłabienia światła zawierają informacje o samej planecie, takie jak jej rozmiar i temperatura.

Z ponad 150 000 gwiazd badanych przez Keplera tylko jedna (KIC 8462852) ma krzywą blasku, której nie można normalnie zinterpretować. Pierwsi zauważyli to członkowie społecznościowego projektu naukowego Planet Hunters, gdy w danych zabranych przez Keplera poszukiwali tranzytów pominiętych przez automatyczne algorytmy wykrywania planet. W krzywej blasku KIC 8462852 pojawiają się przypadkowe osłabienia światła, jedne trwające kilka godzin, a inne utrzymujące się przez wiele dni lub tygodni. Czasami światło gwiazdy przygasało o około procent (co jest typową wielkością dla największych tranzytujących egzoplanet), ale innym razem spadało o 20% [ramka na stronie 34]. Żaden układ planetarny nie byłby w stanie stworzyć takiej niezwykłej i krzywej blasku.

Zaskoczeni miłośnicy astronomii zawiadomili o odkryciu Boyajian, która jest członkiem zespołu nadzorującego projekt Planet Hunters. W 2016 roku o gwieździe i jej tajemnicach poinformowano świat w artykule w recenzowanym czasopiśmie naukowym. Podtytuł brzmiał „Where’s the Flux?” (Gdzie się podziało promieniowanie?), i dlatego Boyajian nazywa KIC 8462852 „gwiazdą WTF”.

Dziwna na wiele sposobów

Gwiazda Boyajian dostarczyła jeszcze więcej niespodzianek. Po ukazaniu się artykułu WTF, astronom Bradley Schaefer z Louisiana State University, opierając się na danych archiwalnych, stwierdził, że jasność gwiazdy Boyajian w ciągu ostatniego stulecia osłabła o ponad 15%.

Wniosek ten jest kontrowersyjny, gdyż tak wielkie zmiany jasności w przeciągu kilkudziesięciu lat wydają się prawie niemożliwe. Gwiazdy zachowują podobną jasność przez miliardy lat od swych narodzin, a gwałtowne zmiany zachodzą w nich dopiero przed śmiercią. „Gwałtowne”, to znaczy trwające zwykle miliony (a nie miliardy) lat; towarzyszą im charakterystyczne objawy, których nie zaobserwowano w gwieździe Boyajian. Zgodnie z wszystkimi innymi pomiarami, jest to nieciekawa gwiazda w średnim wieku. Nie ma przesłanek, aby była regularnie pulsującą gwiazdą zmienną. Nie ma też żadnych oznak innych zjawisk, które mogłyby prowadzić do szybkich zmian jasności, takich jak akrecja materii z gwiazdy towarzyszącej, silna aktywność magnetyczna czy możliwość, że jest to młody obiekt dopiero w fazie powstawania.

Jednakże wniosek Schaefera znalazł potwierdzenie w oryginalnych, mniej znanych danych kalibracyjnych Keplera, które przeanalizowali astronomowie Benjamin T. Montet i Joshua D. Simon. Stwierdzili oni, że gwiazda Boyajian osłabła o 3% w ciągu czterech lat trwania misji Kepler. Jest to efekt równie niezwykły, jak krótkotrwałe pociemnienia.

Musimy więc wytłumaczyć dwa niesamowite efekty związane z gwiazdą Boyajian: powolne zmniejszanie jej blasku w ciągu co najmniej czterech lat (a zapewne w ciągu całego poprzedniego stulecia) i silne, pojawiające się nieregularnie pociemnienia, które trwają od dni do tygodni. Chociaż astronomowie chcieliby znaleźć jedną przyczynę wyjaśniającą oba zjawiska, to już każde z nich jest samo w sobie trudne do wytłumaczenia.

Wiele hipotez, żadna nie przekonuje

Oto niektóre z najczęściej proponowanych scenariuszy, które próbują wyjaśnić dziwaczne zachowanie gwiazdy Boyajian. Opiszemy, jak dobrze każdy z nich pasuje do wyników obserwacji, i podamy naszą subiektywną ocenę ich prawdopodobieństwa.

Dysk Pyłowo-Gazowy

Bardzo młode gwiazdy, wokół których dopiero powstają planety, też wykazują nieregularne krótkotrwałe osłabienia światła, a także długotrwałe zmniejszanie jasności. Takie gwiazdy są otoczone przez okrągłe dyski z podgrzanego przez promieniowanie gazu i pyłu, w których w trakcie procesu formowania się planet powstają zgęszczenia, pierścienie i wygięcia. Gdy dyski widzimy z boku, obiekty te mogą chwilowo przysłaniać światło gwiazd, a nawet blokować je przez dziesięciolecia i stulecia.

Gwiazda Boyajian nie jest jednak młoda i najprawdopodobniej nie ma takiego dysku. Gdyby istniał, to – jak każdy rozgrzany obiekt – wypromieniowywałby ciepło w postaci nadmiarowego promieniowania podczerwonego, czego nie zaobserwowano. Co prawda, mogłoby się zdarzyć, że pył i gaz zgromadziły się w bardzo cienkim pierścieniu szeroko otaczającym gwiazdę, tak że blokuje on jej światło wzdłuż linii naszego widzenia i nie emituje promieniowania podczerwonego w naszym kierunku, ale dysków takich nie zaobserwowano nigdy wokół gwiazd w średnim wieku. Ponieważ scenariusz ten wymaga wprowadzenia zjawiska, dotąd nieodnotowanego, oceniamy, że jest on bardzo mało prawdopodobny.

Rój komet

Zgodnie z pierwszym pomysłem Boyajian, pociemnienia gwiazdy mogą powodować przemieszczające się ogromne komety. Jak wiadomo, komety większość czasu przebywają daleko od gwiazdy i poruszają się po bardzo wydłużonych orbitach, co może wywołać nieregularne pociemnienia. Ale co z brakiem ciepła? Komety z pewnością rozgrzewałyby się podczas zbliżania do gwiazdy, a wypromieniowywały ciepło w trakcie oddalania. Nadwyżka promieniowania podczerwonego byłaby wówczas obserwowana tylko w trakcie pociemnienia. Obecnie nie rejestrujemy żadnej nadwyżki, ale to można by wytłumaczyć, gdyby komety odpowiedzialne za pociemnienia kilka lat temu były dzisiaj daleko od gwiazdy, a ich temperatura znacznie spadła. Jednakże jakikolwiek rój kometarny, który mógłby spowodować tajemnicze długotrwałe ciemnienie, musiałby być bardzo duży i niewątpliwie tworzyć nadwyżkę promieniowania podczerwonego, której, jak to już podkreślaliśmy, nie ma. Dlatego nasz werdykt brzmi: komety mogą wyjaśnić krótkie pociemnienia, ale jest bardzo mało prawdopodobne, aby za ich pomocą można było wytłumaczyć długoterminowe efekty. Skoro więc komety nie są przyczyną długoterminowego ciemnienia, zapewne nie odpowiadają też za krótkotrwałe zjawiska.

Obłok w przestrzeni międzygwiazdowej albo w układzie słonecznym

Przestrzeń międzygwiazdową wypełniają gaz i pył, które osłabiają światło gwiazd. Być może gęsty obłok takiej materii pochłania pewną część promieniowania, która jest różna dla różnych linii widzenia teleskopu Kepler zmieniającego swe położenie na orbicie wokółsłonecznej. Rozkład gęstości w obłoku może w długiej skali czasowej powodować stopniowe osłabianie obserwowanej jasności gwiazdy, natomiast drobniejsze zgęszczenia byłyby odpowiedzialne za krótkie, silne pociemnienia.

Ta hipoteza zyskała pewne wsparcie w pracy Walerija Makarowa z U.S. Naval Observatory i jego współpracownika, Alieksieja Goldina. Stwierdzili oni, że niektóre z mniejszych spadków światła, przypisywanych gwieździe Boyajian, to w rzeczywistości silne osłabienia promieniowania słabszych sąsiednich gwiazd znajdujących się w polu widzenia Keplera, spowodowane zapewne przez roje małych, gęstych obłoków lub komet w przestrzeni międzygwiezdnej. Subiektywnie oceniamy, że hipoteza ta jest prawdopodobna.

W podobnej hipotezie przesłaniający obłok znajduje się na obrzeżach naszego Układu Słonecznego. Gdyby tak było, linia widzenia Keplera, który porusza się po orbicie wokółsłonecznej, przechodziłaby przez ten obłok corocznie; w pociemnieniach gwiazdy Boyajian nie zaobserwowano jednak takiej powtarzalności. Co więcej, obecnie nie ma żadnych podstaw, aby twierdzić, że taki obłok istnieje. Co prawda, można sobie wyobrazić, że podobny do Plutona, ale znacznie odleglejszy obiekt wyrzuca gejzery lodu i pary, lecz dopóki planetolodzy nie wesprą tej hipotezy, uznajemy ją za dopuszczalną, ale mało prawdopodobną.

Zmiany jasności samej gwiazdy

Gdy gwiazdom zaczyna brakować paliwa w jądrach, faktycznie mogą zmieniać swą jasność. Dzieje się to jednak w skalach rzędu milionów lat, a nie stuleci czy dni, i to pod koniec ich życia, a nie w ich wieku średnim. [W końcowych fazach ewolucji gwiazda może szybko zmieniać jasność wskutek tzw. pulsów termicznych, które trwają zaledwie kilkaset lat – przyp. tłum. dr Michała Czernego.] Naturalne efekty, takie jak plamy i rozbłyski, które obserwujemy na Słońcu, wpływają na jasność w krótszych skalach czasowych. Gdyby nieregularne pociemnienia i długotrwały spadek jasności można było wyjaśnić za pomocą procesów fizycznych zachodzących w gwieździe Boyajian, nie trzeba byłoby zakładać istnienia dodatkowej materii na orbicie.

Niedawno Mohammed Sheikh i jego współpracownicy z University of Illinois w Urbana-Champaign przeprowadzili analizę statystyczną momentów pojawiania się, głębokości oraz czasu trwania krótkoterminowych pociemnień i stwierdzili, że ich rozkład opisywany jest przez funkcję potęgową, podobnie jak ciągłe przejścia fazowe (takie jak zmiana orientacji magnesów w obecności zewnętrznego pola magnetycznego). Zasugerowali oni, że taki rozkład może wskazywać na to, iż gwiazda właśnie przechodzi przebudowę swego wnętrza, na przykład odwrócenie biegunowości pola magnetycznego.

Jednakże w żadnej gwieździe podobnej do gwiazdy Boyajian nie dostrzeżono tego typu aktywności. Wydaje się ona zbyt gorąca, aby w jej wnętrzu działało dynamo generujące pole magnetyczne, jak to ma miejsce w Słońcu i innych chłodniejszych gwiazdach. Co więcej, pola magnetyczne nie mogą być odpowiedzialne za zaobserwowane długoterminowe obniżanie jasności.

Astronom Brian Metzger z Columbia University wraz z kolegami ze swojej uczelni i z University of California w Berkeley przedstawił bardziej realne wytłumaczenie, zgodnie z którym nastąpiło zderzenie gwiazdy Boyajian z planetą albo z brązowym karłem. Skutkiem takiej kolizji byłoby chwilowe pojaśnienie gwiazdy, a obserwowane długoterminowe ciemnienie to jej powrót do zwykłego poziomu świecenia. Scenariusz ten nie wyjaśnia przyczyny nieregularnych pociemnień ani tempa zmian dostrzeżonych przez Monteta i Simona w danych kalibracyjnych Keplera, ale być może uda się tego dokonać w przyszłości.

Z powyższych powodów uznajemy, że wytłumaczenie za pomocą zderzenia jest możliwe, natomiast inne scenariusza zakładające zmiany jasności samej gwiazdy za bardzo mało prawdopodobne.

Czarne dziury

Niektórzy miłośnicy astronomii zasugerowali, że przyczyną obserwowanych efektów może okazać się czarna dziura. W jednym ze scenariuszy czarna dziura krąży po ciasnej orbicie wokół gwiazdy Boyajian i blokuje jej światło. Ta hipoteza jest jednak niepoprawna z trzech powodów. Po pierwsze, czarna dziura działałaby grawitacyjnie i wywoływała łatwo wykrywalne kołysanie gwiazdy na niebie – którego poszukiwał zespół Boyajian, ale go nie znalazł. Po drugie, czarne dziury o masach gwiazdowych są znacznie mniejsze od gwiazd, mogą więc blokować tylko mikroskopijną ilość ich światła. W rzeczywistości, choć to niezgodne z intuicją, silne pole grawitacyjne nie blokowałoby, ale wzmacniało większą część światła gwiazdy. Po trzecie, w procesie pochłaniania gazu i pyłu przez czarną dziurę są one silnie rozgrzewane i świecą intensywnie we wszystkich długościach fali. Gdyby między nami a gwiazdą Boyajian faktycznie znajdowała się czarna dziura, pojawiałyby się pojaśnienia (a nie pociemnienia), których na pewno nie ma. Czyli czarna dziura odpada?

No, nie całkiem. Możliwym rozwiązaniem byłaby daleka czarna dziura unosząca się swobodnie między gwiazdą Boyajian a nami. Wyobraźmy sobie, że taką czarną dziurę otacza rozległy dysk z chłodnej materii, przypominający pierścienie Saturna, ale większy niż cały nasz Układ Słoneczny. Zewnętrzne fragmenty tego dysku są niemal przezroczyste, natomiast wewnętrzne są bardziej gęste. Taki dysk mógłby wywołać długoterminowe osłabienie gwiazdy Boyajian, jeśli przez ostatnie 100 lat przecinał naszą linię widzenia – najpierw swoimi prawie przezroczystymi obszarami, a następnie gęstszymi. Przyczyną nieregularnych pociemnień mogłyby być cienie rzucane przez pierścienie, przerwy i inne struktury przemieszczającego się dysku. Taka czarna dziura i jej hipotetyczny dysk mogłyby zostać przegapione na badanych przez Boyajian obrazach wysokiej rozdzielczości, gdyż nie emitują one światła.

Ponieważ nie ma żadnych dowodów obserwacyjnych na to, że istnieją czarne dziury otoczone przez rozrzedzone, zimne dyski, powyższy scenariusz może wydać się nieco naciągany. Jednakże teoretycy przewidują istnienie takich dysków, będących produktem ubocznym supernowych, z których powstają czarne dziury o masach gwiazdowych. Co więcej, z analizy statystycznej wynika, że taka czarna dziura powinna przemieścić się przed tarczą co najmniej jednej spośród 150 000 gwiazd monitorowanych przez Keplera w trakcie jego czteroletniej działalności. Subiektywnie oceniamy tę hipotezę jako dość wiarygodną.

Wielkie konstrukcje kosmitów

Przejrzawszy naturalne wyjaśnienia dziwnego zachowania gwiazdy Boyajian i stwierdziwszy, że wszystkim z nich czegoś brakuje, możemy wreszcie rozważyć najbardziej sensacyjną możliwość – konstrukcje kosmitów opisane przez Dysona ponad pół wieku temu. Wyobraźmy sobie, że cywilizacja kosmitów skonstruowała dużą liczbę paneli do zbierania energii, które mają różne rozmiary i krążą wokół gwiazdy po różnych orbitach. Mniejsze z paneli mogłyby wówczas blokować jakąś część światła gwiazdy. Zmiany jasności trwające od godzin do stuleci mogłyby następować, gdy gęstsze fragmenty roju paneli trafiałyby na linię naszego widzenia lub usuwały się z niej. Ponad 10 lat temu astronom Luc F. A Arnold pierwszy zauważył, że szczególnie duże panele albo grupy paneli lecące razem – być może nawet większe niż sama gwiazda – mogą w trakcie tranzytu wywołać duże pociemnienia zależne od ich geometrycznego kształtu.

Podobnie jak w przypadku dysku otaczającego gwiazdę, problemem jest brak emisji w podczerwieni. Nawet konstrukcje stworzone przez kosmitów podlegają prawom fizyki, a zatem energia światła gwiazdy, pochłonięta przez panele, musi zostać wypromieniowana w postaci ciepła. Hipotezę wielkich konstrukcji kosmitów trzeba będzie rozważyć, gdy odrzucone zostaną wszystkie naturalne scenariusze. Może jednak zyskać rację bytu, jeśli wykryjemy sygnały radiowe z okolicy gwiazdy Boyajian, których pochodzenie będzie w oczywisty sposób sztuczne. Wspólnie z Boyajian rozpoczęliśmy już ich poszukiwanie, używając do tego celu umieszczonego w Zachodniej Wirginii radioteleskopu Green Bank Telescope. W chwili obecnej oceniamy, że prawdopodobieństwo najbardziej sensacyjnej hipotezy wyjaśniającej zachowanie gwiazdy Boyajian jest... nieokreślone.

Nieznana, ale świetlana przyszłość

Gdzie więc jesteśmy w próbach zrozumienia gwiazdy Boyajian? Ponieważ nie obserwujemy nadwyżki promieniowania podczerwonego, możemy odrzucić wszystkie wymagające tego scenariusze, a także te, które zakładają wystąpienie wielu efektów o niskim prawdopodobieństwie, albo powołujące się na procesy fizyczne lub obiekty, których nigdy wcześniej nie zaobserwowano.

Najlepszą drogą do osiągnięcia sukcesu jest zebranie jak największej liczby faktów. Boyajian, pracująca obecnie jako docent w Louisiana State University, wykorzystała zainteresowanie społeczeństwa swoją gwiazdą i zebrała fundusze na zakup czasu obserwacyjnego na sieci teleskopów Las Cumbres Observatory Global Telescope. Monitorujemy gwiazdę kilka razy na dobę, a gdy pojawi się kolejne pociemnienie, kilka teleskopów natychmiast uzyska jej widmo, dzięki czemu poznamy skład chemiczny zaćmiewającej materii. Inni astronomowie sięgają do archiwów w celu znalezienia dodatkowych pomiarów jasności gwiazdy. Znajomość charakterystyki czasowej zmian jasności pozwoli wyeliminować część hipotez dotyczących dziwnej krzywej blasku gwiazdy i wskaże nam, czego konkretnie szukać.

Czekamy również na lepszą ocenę odległości do gwiazdy Boyajian. Ma ją dostarczyć wystrzelone przez Europejską Agencję Kosmiczną obserwatorium kosmiczne Gaia. Pomoże to odrzucić kilka hipotez. Jeśli gwiazda znajduje się bliżej nas niż 1300 lat świetlnych, pochłanianie światła przez gaz i pył z ośrodka międzygwiazdowego nie jest w stanie wyjaśnić obecnego poziomu słabnięcia jasności. Jeżeli natomiast odległość wynosi około 1500 lat świetlnych (co jest obecnie najlepszą oceną), długotrwałe zmiany mogłyby być spowodowane przez przypadkowy rozkład pyłu wzdłuż linii widzenia. Z kolei gdy gwiazda leży znacznie dalej, to jest o wiele jaśniejsza, niż do tej pory sądzono, a wtedy spadek jasności mógłby oznaczać powrót do normalności po pochłonięciu innego obiektu, jak to zasugerowała grupa Metzgera.

Dopóki nie napłyną świeże informacje na temat pomiarów z Green Bank Telescope, Las Cumbres Observatory i Gai, spekulacje o gwieździe Boyajian będą ograniczone jedynie przez naszą wyobraźnię i znajomość praw fizyki.

Kimberly M. S. Cartier jest doktorantką studiującą astronomię i astrofizykę na Pennsylvania State University. Jej specjalizacja to egzoplanety i ich macierzyste gwiazdy. Cartier interesuje się również komunikacją naukową.

Jason T. Wright jest profesorem nadzwyczajnym astronomii i astrofizyki w Center for Exoplanets and Habitable Worlds na Pennsylvania State University i bierze udział w poszukiwaniach cywilizacji pozaziemskich. Wright bada egzoplanety i gwiazdy, wokół których krążą.