宇宙里的普通孩子——多星系统
成都理工大学地球与空间科学系讲师
英国格拉斯哥大学物理及天文专业博士
编辑导言：
从2020到2021年，地球遭遇了疫情的席卷，人类文明在寻找应对策略的同时，也似乎像科幻小说中写的一样，或是为了排解困境，或是为了寻找更好的未来可能，更多地将目光投向了星辰大海，在天文发现和宇宙探索方面取得了不少值得瞩目的新成就。于是，本期“科学”栏目，我们邀请了两位天文和航天航空领域的科普达人——成都理工大学的罗瑞老师和“银河奖”得主陈梓钧（在清华大学航天航空学院取得了博士学位），同我们一起畅聊最近的一些宇宙发现及他们对于未来太空探索的畅想。
2021年1月，美国国家航空航天局（NASA）宣布他们的凌日系外行星勘测卫星（TESS）最新发现了一个六恒星系统TIC 168789840。大概不少幻迷在听闻这则消息时，内心会小小雀跃下，“呀，这是‘三体’PLUS版吗？那里会有文明吗？要是有文明，又会有什么黑科技吗？”是的，在科幻作品里，多星系统往往意味着一段传奇的开始：《三体》中的三星系统造就了苛刻的生存环境，三体文明于是有了独特的存续方式和征服野心；《星球大战》系列中塔图因星球所在的星系拥有两个太阳，大概基于这样的原因，塔图因成了一个常年干旱的沙漠星球，孕育了一堆耐旱的怪异生物；而《星际迷航：皮卡德》这部科幻剧集更是脑洞大开地想象了一个人为制造出来的八恒星系统文明。
幻想作品的天马行空，往往让我们产生了错觉：这些传奇的多星系统应该多是我们的想象，现实中太阳系这样一恒星独大的系统才是常规。但实际上，天文学家却要站出来为幻想正名了——我们观测到的和太阳同类型的恒星中，只有大约45%是和太阳一样“不合群”的恒星。大约有46%为两颗恒星组成的双星，约8%为三颗恒星组成的系统，有1%为四颗恒星组成的系统。甚至不少天文学家认为早期的太阳有一个质量差不多的伴星，只是在之后的演化过程中失去这个伴星——你看，老祖宗“后羿射日”的传说也不是没有现实依据的嘛。在宇宙老母亲的怀抱里，多星系统也就是自家的“普娃”一枚，虽然没有科幻作品演绎的那么富有传奇色彩，但也绝非什么罕见的怪咖。
1.“普娃”的真容——多星系统的定义
“普娃”既然在宇宙大家庭里数量众多，我们不妨找两位经常在科幻作品里出现的小朋友来亮亮相。首先是太阳系之外全天空最亮的天狼星，它在科幻界也是明星，不仅在多丽丝·莱辛作品《天狼星试验》中与老人星对决，殖民争霸，还曾出现在大家熟悉的《银河英雄传说》和《异形终结》里。它其实是由一颗蓝白色主序星和白矮星伴星组成的双星系统。还有离太阳最近的比邻星，啊对，就是《流浪地球》里要去的目的地，其实是一个三星系统。地球流浪的归处是“三体”，想想似乎还挺带感。
跳出我们熟悉的幻想形象，我们不妨先来认识一下多星系统的真容。多星系统是恒星之间通过引力作用联系在一起的复合天体系统，较常见的是两颗恒星组成的双星系统。另外广义来讲，组成多星系统的除了恒星以外也可以是中子星或黑洞这样的天体。多星系统中的两颗恒星之间的距离少的可以小于一个天文单位（地球和太阳之间的距离），大的有数千个天文单位。对应的运动周期差别也很大，短的周期只有几个小时，而有的周期可达数千年。顺道说一下，双星之间的相互旋转绕行会将能量以引力波的形式释放出去，这个过程中双星之间的距离越来越小，最终发生双星合并这样的天文学现象，在双星合并的最后一瞬间所释放的引力波强度是最大的。像LIGO这样的引力波探测装置探测到的引力波波源常常就是两颗中子星或者黑洞组成的双星合并的事件。
对于双星系统，两颗恒星是绕着它们的质量中心为焦点的两个椭圆轨道做周期性运动的。三星或更多恒星组成的多恒星系统运动规律比较复杂，目前还没有解析解，一般是通过计算机程序模拟。幸好三恒星和多恒星系统中的恒星之间的距离一般差别较大，比如三星系统离得最近的两颗恒星之间的距离可能是他们离第三颗恒星之间距离的数百到数千分之一。对这样的系统，我们在分析离得较远的恒星运动规律的时候，可以将离得近的那两颗恒星合并当作一颗恒星来做近似计算。这样也就可以将它们看成“有层次”的双星系统了。
要注意的是天空中看上去位置接近的两颗星大多并不是双星，它们只是碰巧在地球上看上去差不多在一条直线上而已。1802年天文学家威廉·赫歇耳（天王星的发现者）首先提出了双星的概念，他观察发现了超过700颗的双星，其中比较著名的是双子座α星。经过现代更深入的观测研究，我们发现双子座α星实际是一个复杂的六星系统：两个最明显光点都是一颗恒星和一颗红矮星组成的双星系统，在这之外还有两颗红矮星相互旋转绕行组成另外一个双星系统，它们合起来组成了一个六星系统。
2.让我看看你——多星系统的观测方法
确定一个天体是双星的方法很多，首先最直接的办法就是“看”。当然，这需要借助天文望远镜等专业设备，不是肉眼裸看能达到的境界。如果这个天体离我们不太远，两颗恒星的光点可以明显区分开来，且它们的绕行周期不太长的话，我们就可以通过直接观测他们运动的轨道从而确定它们是双星。比如半人马座α星为一颗较亮的恒星和一颗较暗的恒星组成的双星系统，它们的绕行周期为大约80年，天文学家观测到其中较暗的伴星在过去的几十年内按照一个椭圆轨道运动，从而确定它是一个双星系统。
还有另一个类似的办法是天体测量法。这个方法同样是测量天体的位置变化，但更适于那些伴星亮度远小于主星的情况，比如天狼星就是这样的情况。在过去一百多年的时间内，天文学家观测到天狼星A的运动轨迹并非一条直线，这就显示还有一颗伴星（天狼星B）的存在。天狼星B是一颗白矮星，亮度只有天狼星的十万分之一，其运动轨迹显示两颗星之间的引力作用很明显。
对于那些距离地球数百、数千光年的双星，以上的方法就不太灵光了。这里另一种观测双星的方法是光谱法。双星在相互绕行的时候如果速度有地球上观测它的视线方向的分量，则其发出的光会有多普勒效应，天文学家可以通过观测光谱中特定的吸收谱线的红移和蓝移，若红移和蓝移数值较大且成周期性变化，则可以提示我们这是一个双星系统。需要说明的是双星系统的绕行速度可以达到一千米每秒的量级，而多普勒效应的测量速度精度可以达到一米每秒。光谱法主要适用于那些绕行周期为几天到几十天的双星。
光谱法的一个问题是由于设备的局限，无法大规模的追踪目标。这一缺陷可以部分用掩食法来弥补。掩食法指的是双星进行绕行的时候，如果轨道平面和地球观测它们的视线夹角不大的话，双星可能出现相互遮挡，导致观测到的亮度成周期性减弱。我们可以通过分析天体目标的时序数据，即光变曲线来确认该目标是否为双星。很大一部分组成双星的两颗恒星的亮度差别较大，造成较暗的恒星遮挡较亮恒星的时候，亮度的减弱要比较亮的恒星遮挡较暗的恒星的时候的亮度的减弱更为明显。这是双星光变曲线的一个显著特点，可以帮助我们把双星掩食和其他天文现象，如系外行星掩食、变星等区分开来。当然，掩食法的一个重要问题在于如果双星的轨道平面和从地球上观测它的视线夹角较大的话，掩食现象就不能被我们观测到。同样，如果双星绕行的周期过于长，我们也需要等待很长时间才能确定这是一个掩食双星的光变曲线信号。
3. TESS与新发现的六星TIC 168789840
于2018年发射的凌日系外行星勘测卫星（TESS）是以巡天方式进行观测的空间天文望远镜。和它的前辈开普勒卫星相比，它的造价只有开普勒的1/3，分辨率也比开普勒差了5倍，但它的优势是几乎覆盖全天的观测：它可以同时观测96度×24度的天空，称为一个“扇区”（sector）。目前TESS卫星已经完成了它第一期，时长为两年多的观测任务，在这两年时间内，它将天空分成26个部分重叠的扇区，每个扇区连续观测大约27天，总共覆盖85%的天空，包括约两千万个目标。其产生的一个重要的数据就是天体目标的光变曲线。对于全天所有覆盖的目标，TESS可提供每30分钟一个数据点的时序数据；对一些特定对象，还有每2分钟一个数据点的时序数据。TESS卫星最主要的目的是观测系外行星的光变曲线信号，但同时也能获得双星、变星和其他天体物理现象的时序数据。
今年1月天文学家在分析TESS光变曲线的时候发现一个掩食六星。前面说过，在光变曲线中发现双星的条件之一是双星的绕行轨道平面和地球观测它的视线夹角足够小，绕行周期也不能太长。那么对掩食六星来说，则需要这六颗星的轨道都满足这两个条件我们才能观测确定它们，这样的条件还是非常苛刻的。标号为TIC 168789840的目标就恰好满足这样的条件，这也是依赖了TESS的全天观测范围，所谓的“大力出奇迹”。但是要注意的是这并不是科学家第一次发现六星系统，包括前面提到的半人马座α星在内，人们之前已经发现了有17个六星系统了。
在TESS产生的海量数据中，天文学家使用了一种“一维残差卷积神经网络”模型来分析TESS的光变曲线，在众多目标中锁定了TIC 168789840。残差卷积神经网络模型在计算机视觉领域，诸如图像分类的任务里有着很好的性能。而在光变曲线中识别多星系统的任务中，由于光变曲线是一维数据，所以神经网络采用了一维卷积的变形形式，效果仍然很好。天文学家分析发现六星系统TIC 168789840的光变曲线是由三个不同周期的掩食信号混合而成，通过曲线拟合、逐个消除不同周期信号的方法，得到组成六星的三组双星的周期分别为1.57天、8.22天和1.31天。同时，地面的天文台也做了跟进的光谱观测，确定了分析光变曲线得到的周期，并分析得出了三组双星的绕行速度分别为48km/s、10.2km/s和58km/s。另外坐落在智利的南部天体物理学研究望远镜对TIC 168789840进行了散斑成像观测。
天文学家将众多观测数据放在一起，用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）模型分析得这个组成六星系统的三组双星都是由一个较大（约1.3倍太阳质量，1.5倍太阳半径，表面温度6400K）的主星和一个较小（约0.6倍太阳质量，0.5倍太阳半径，表面温度4000K）的伴星组成。其中距离较近的两组双星又形成一个四星系统，以约4年的周期相互绕行，另外一组双星距离较远，和这个四星系统以约2000年的周期相互绕行。另外还测量得出它们的年龄大约为30亿年，距离我们约2000光年。
长期以来，多星系统如何形成的一直是一个有争议的问题。我们注意到这个新发现的六星系统中的三组双星的主星和伴星的参数都非常类似，这提示我们这样的双星系统是有共同的起源而非依靠引力相互捕获的。通过观测处于幼年时期的多星系统，或许能帮助我们搞清楚太阳是否从前也有一个“小伙伴”。
徜徉于宇宙星海，至今未发现同伴的人类文明一直在踽踽前行。大概正是这样的孑然感令我们对宇宙的奥妙充满了好奇，从而不断向深空探索。虽然多星的神秘面纱还只是挑起了神秘一角，成百上千光年外那些星系的模样更多还只是幻想作品里的奇观，那里是否存在类地行星，是否有高智慧的文明，是否有适宜人类居住的环境，都还是有待更多探索的未知。但随着科技的进步和人类的不断探索，也许总有一天，我们的幻想会一点点走近现实。
【责任编辑：艾珂】