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褐矮星:宇宙“弃儿”大逆袭

(文/ Sarah Cruddas)太空好像并不那么孤寂,因为还有褐矮星在游荡。与恒星相比,这些天体算是一个失败的案例。同时,虽然和行星有着许多的共同点,但它们和行星似乎又并非一类。

这种上下不靠的中间状态意味着,在外星行星或者耀眼超新星的辉映之下,褐矮星常常会被忽略。不过,正是这种格格不入,才使得褐矮星比我们曾经所想的更加有趣,而且更加有用。

有关褐矮星的新证据在不断涌现,它们也正在挑战我们对行星和恒星间差别的认识。从熔融的铁雨到硅酸盐雪,一些褐矮星有着前所未见的天气系统。这些与外星行星所共有的特色意味着,我们可以了解一些用望远镜观测外星行星无从得知的事情。最不受人待见的褐矮星,正在迅速变成天文学家的新宠。

最不受人待见的褐矮星,正迅速变为天文学家的新宠,为研究太阳系外的行星及诸多其他现象,提供真知灼见。图片来源:维基百科

恒星还是行星?

1962年,美国宇航局(NASA)戈达德研究所的希夫·库马尔(Shiv Kumar)率先提出存在褐矮星,他当时想知道一颗恒星究竟可以有多小。库马尔计算发现,小于特定尺度的话,你会得到一个失败的天体,质量太小而无法维持氢聚变,因此会慢慢地暗去。

库马尔称这些假想中的天体为“黑矮星”,不过这个名字会带来困扰。20世纪70年代,天文学家吉尔·塔特(Jill Tarter)指出,这个词还被用来指称临近生命终点的冰冷黑色恒星。各种其他的名字被提了出来,例如“行恒星”、“死胎星”,以及“亚恒星”,但塔特则支持“褐矮星”。她知道,它们不可能真的是褐色的,不过她觉得用一种合成色来标称它们是恰当的,因为发出的辐射十分孱弱,人们难以观测它们的实际颜色。

塔特对了一半:孱弱的辐射使得在其后的20年时间里都没有人发现它们。在这期间,褐矮星的研究陷入了停滞——直到1995年,格利泽229b进入了人们的视野。得益于红外望远镜的发展,以及研究重心向更年轻恒星系统的转移(更年轻的恒星系统中,任何天体都较为明亮,因而更容易探测),人们才发现了这颗距离地球大约19光年的褐矮星

这颗褐矮星的质量介于木星质量的20~50倍之间,表面温度相对较低,约为680℃。它最终让褐矮星成为了研究热点吗?并非如此。在30年的猜测之后,这一发现本该具有更大的影响力,但是跟它在同一次会议上通报的,还有发现第一颗太阳系外行星的消息,因此褐矮星顿时黯然失色。

然而,对于一小部分专注于此的科学家来说,格利泽229b提出了一道诱人的难题:它是一颗恒星,却有着行星的大气。发现这颗褐矮星的研究团队成员之一、美国自然历史博物馆助理馆长本·奥本海默(Ben Oppenheimer)说:“很明显,它极为不同…… 它的光度,它的光谱,事实上它上面存在甲烷。”唯一能和它相比的就是木星,但它并不是一颗气态巨行星。

随着越来越多的褐矮星(目前已经发现了1200多颗)显现出了类似的特征,一场争论由此引发——那就是,应该如何对它们分类。自从人类第一次遥望苍穹,恒星和行星间一直泾渭分明,褐矮星却对此提出了挑战。英国赫特福德大学的本·伯宁罕(Ben Burningham)说:“它们是行星还是恒星,取决于你问的是什么问题。褐矮星模糊了两者的界线。”

和恒星一样,褐矮星形成于气体云的坍缩,因此分享了一些恒星亲戚的特征。它们具有类似恒星的磁斑,有些甚至还会像脉冲星一样发出射电辐射。它们的密度又足够高,可以在形成之初聚变数量有限的氘。这会产生暗弱的红外辐射,亦如将引力能转变成热能。但是,伯宁罕说,它们在一生中会渐渐冷却,“就像从火堆中拨出来的灰烬”。这使得它们温度非常之低——有些甚至低到27℃。

如此看来,它们更像是行星吗?褐矮星的质量要显著高于绝大多数的行星——质量在木星质量的13~75倍之间。目前已知的外星行星中,仅有3%~4%的质量达到如此之重。但是,按照美国纽约州立大学石溪分校斯坦尼米尔·麦切夫(Stanimir Metchev)所说,“我们真的不知道一个质量最小的类恒星天体,质量能够小到什么程度,也不知道一颗行星质量又能够大到什么地步”。根据实际大小,大多数褐矮星的直径与木星的所差无几。

宇宙亲戚

褐矮星和气态巨行星之间有着许多共同点,它们都有着一个由一氧化碳、硫化氢和水,或者甲烷和氨所构成的、有毒且翻腾着的大气。奥本海默说:“我们收集的数据越多,褐矮星和行星之间的关联就越明显。”于是,褐矮星似乎代表了恒星和行星之间的一座桥梁。

最近,科学家还发现了一个饶有兴趣的新问题:它们拥有天气系统。这使得对褐矮星的研究重点,从单纯的巡天寻找更多褐矮星,变成了去了解已知褐矮星的细节。

就像我们太阳系中在偏远行星的大气中会发生的那样,褐矮星内部的热量会促使气体上升进而凝结,因此人们一直怀疑褐矮星会拥有云层。不过,直到最近,我们才有能力看到这一天气系统随时间的变化。在过去几年中,天文学家意识到,褐矮星发射出的红外辐射量的变化表明了它们大气模式的改变。通过长达数月的望远镜观测,他们推测,红外辐射的某些特定变化是由巨大的风暴造成的。

褐矮星拥有自己的天气系统,甚至比外星行星上的天气气体更加奇葩。图片来源:《新科学家》

如果这些褐矮星有每日天气预报的话,这些预报看上去会很“极端”。通过研究恒星的化学组成,我们知道温度较高的褐矮星大气会拥有气态铁和硅酸盐,随着上升和冷却,它们最终会凝结。想象一下,熔融的铁雨滴以及由高温沙粒组成的涡旋云系,还有会缓缓降下的硅酸盐雪花。NASA艾姆斯研究中心的马克·马利(Mark Marley)说:“我们认为,它与地球上的水循环非常类似。”

于是,褐矮星提供了首个详细研究太阳系外天气系统的机会。相比之下,外星行星上的天气则要更难探测。英国莱斯特大学的莎拉·凯斯韦尔(Sarah Casewell)说:“外星行星太暗,而且不可能一直获得它们的光谱,因为我们需要大望远镜来观测,还要想办法去除星光的影响。”从褐矮星那里所学到的东西,可以让我们对外星行星的气候有所认识,有助于打造探测它们所需的技术。麦切夫说:“褐矮星有着和太阳系外巨行星绝佳的相似性。”

例如,当褐矮星的大气冷却时,云系会突然改变特性——往往会几乎散尽,这说明我们会在气态外星行星上看到类似的现象。马利说:“它们教诲我们,亚恒星天体有着巨大的多样性。当我们研究太阳系外行星时,无疑会遇到更多。”

温度最低的褐矮星,有着我们地球相似的天气模式——有些甚至还会有由水蒸气构成的云。麦切夫说:“它们和太阳系中类地行星的温度相差无几。”

其他的褐矮星则为仅有一侧被加热的行星上的天气提供了线索。例如,凯斯韦尔研究了白矮星和褐矮星组成的双星系统,其中的褐矮星被潮汐锁定,只有一面沐浴在辐射之下,就像月亮总以一面朝着地球一样。“我们正在研究许多大气效应,”她说,“是只有一个半球会变热吗?如果不是,那会有强风把热量输运到较冷的半球吗?”了解这些超音速风对天气模式的影响,将有助于我们搞清楚岩态行星的潜在宜居性。

宇宙中,大约每6颗恒星当中,就有1颗褐矮星。只不过那些褐矮星,我们用肉眼是看不见的。图片来源:《新科学家》

最有吸引力的发现,或许要数褐矮星也拥有行星。2013年7月,一个天文学家小组发现了第一颗绕褐矮星公转的行星。这颗行星的质量,差不多是木星的2倍。

“根据标准的行星形成机制,在褐矮星周围极有可能会形成行星,”英国伦敦帝国学院的苏韩乔伊·穆罕迪(Subhanjoy Mohanty)说。虽然此次发现的是一颗气态巨行星,但穆罕迪说,未来将会发现的许多行星可能会是较小的岩态行星,因为比起大质量恒星,年轻的褐矮星周围的物质较少。而生命,也有可能存在于一颗绕褐矮星转动的行星之上。

鉴于褐矮星现在终于登上了时代的舞台,也许我们不该再纠结于该将它们归为行星还是归为恒星。是时候让它们自成一派了。

 

编译自:《新科学家》,Brown dwarfs: From zeroes to astronomical heroes

扩展阅读

真正的颜色

褐矮星到底是什么颜色?当然,并非真是褐色。

褐矮星之所以如此得名,是为了和其他天体有所区别:在光学望远镜下,蓝色的恒星通常温度较高,红色的温度较低。这所以选择褐色,是因为这种颜色复合的特性,一些人认为褐矮星的颜色会难以精确测定。

当天文学家展示褐矮星图像时,会使用表示色。绝大多数褐矮星是使用红外望远镜观测的,加装了各种滤光片来获得特定波段的数据。为了用红绿蓝调色板制作出表示色,天文学家把波长最短的滤光片数据指定为蓝色,波长最长的为红色,再把它们合成到一起。这一般会形成深紫红色,但偶尔也会得到绿色。

那么,用肉眼看起来,褐矮星会是什么样子?如果乘坐宇宙飞船疾速而过,你会完全看不到它,因为它发出的可见光非常少。但如果靠近看,你可能会看到一些会发出暗弱光线的区域,那里的温度足够高到能够发光——但极有可能是非常深的橙色。

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The End

发布于2013-09-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Shea

天文学博士

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