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天文学家发现最小恒星

恒星与褐矮星的边界在哪里? 最小的恒星比木星还小

艾麦乐 发表于  2014-06-12 19:19

天文学家发现了最小的恒星,个头甚至比木星还要再小一点。图片来源:Steed,夜空中国

(文/Phil Plait)天文学家或许已经发现了已知最小的恒星。不只是已知的恒星里最小的一颗,就算在所有可能的恒星里,也很有可能是最小的。如果它再小一点的话,可能就不能再成为一颗恒星了。

这颗恒星被名为2MASS J05233822-1403022,我们可以简称它为J0523[这个复杂的名字表示,它是由2MASS项目(2-Micron All Sky Survey,2微米全天巡视)发现的,后面那串数字则是它在天空中的坐标——没错,天文学家起名字就是这么无趣]。它的亮度仅有太阳的1/8000,表面温度为1800℃(作个比较,太阳的表面温度为5600℃),直径仅有太阳的0.09倍——甚至比木星还要小!

实际上,这颗恒星离我们相当近,只有大约40光年,但因为非常暗淡,你必须用大望远镜才能看到它——你用肉眼能够看到的最暗恒星,都要比J0523明亮100万倍!

那么,我们是如何确定它(可能)是最小的恒星呢?

为了回答这个问题,我们必须先定义什么是“恒星”。天文学家认为,恒星是质量大到足以在其核心处将氢元素聚变成氦元素的气态天体。我们的太阳可以做到这一点,因此它是一颗恒星。木星就不行,所以它不是。

事实证明,要想让这种核聚变反应发生,你必须把氢压缩到极致。行星自身的重力做不到这一点,但是如果你往一颗行星上堆积足够多的物质,随着核心压强和温度的上升,最终你总能点燃那里的氢核聚变。

我们认为,这个临界质量大约是太阳质量的0.07–0.077倍。如果质量超过这个范围,你就得到了一颗恒星。不到这个范围,那就成不了恒星。

但是,这个范围也太宽了一点。如果能把范围再收窄一点,那就好了。于是,为了确定恒星质量的下限到底在哪里,一个研究邻近恒星的天文学家团队决定,寻找逼近这一下限的超低质量恒星,以及那些质量明显低于下限的天体。后者我们称之为褐矮星。

关于恒星与褐矮星的对比,有件事情相当好玩。如果你往一颗恒星上增加质量,它会变得更热更大。这是因为,恒星核心处的聚变反应率对质量非常敏感。如果你增加一点质量,聚变反应率就会上升,于是温度也会上升,恒星会就膨胀一点。(毕竟,恒星本质上就是一团气体,加热气体时它就会膨胀。)

褐矮星就不同。它的核心已经被自身质量压实,却还不足以点燃核聚变。那里的物质处于一种古怪的量子力学状态,称为简并态。它的一个古怪特性就是,如果你往褐矮星上增加质量,它反而会缩得更小。

所以,这些天文学家做了一件非常聪明的事情。他们找到了63颗处在聚变临界质量附近的天体,根据大小和表面温度(温度本身取决于质量,但更容易直接测量)将它们画在一张表上。随着质量越来越小,恒星的温度会越来越低,半径也会越来越小,然而一旦跨过了临界质量,进入褐矮星的国度,温度越低(因而质量越低)的话,半径反而会越来越大。

他们画出了这些天体的属性,确实发现随着表面温度的下降,天体的半径也在缩小,直到出现一个最小值,然后又开始增大。这个最小值必定就位于普通恒星与褐矮星的边界之上。而且,他们发现J0523就位于这个边界上,就在边界的恒星那一侧。

在可见光波段,J0523即使在大望远镜中也暗到几乎会被忽视(白色箭头所指处)。不过在红外波段(插入图),它还是相当显眼的。图片来源: CDA Portal / 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

正因为如此,我们才会认为,J0523是最小的恒星。它还是质量最小的恒星,也是温度最低的恒星。如果它的质量再小一点,它就不再是一颗恒星,而是一颗褐矮星了。

不过需要提醒的是,这个界限没有那么明确和分明。它也受到其他因素的影响,包括恒星的年龄、恒星中“金属”的含量(天文学家把所有比氢和氦更重的元素都称为“金属”,这可能会让圈外的人感觉有一点困惑,但氢和氦目前仍是宇宙中含量最丰富的元素,而其他所有元素本质上都是一种“污染”),甚至还有恒星自转的速度。

事实上,观测数据跟理论模型相比还是有些差异的,理论模型预言,临界质量对应的表面温度应该更低,接近1400℃才对。现在还不清楚,为什么这里会存在差异。这可能是前面提到的那些因素在起作用,也可能是观测样本存在未知的偏差。(老实说,63个天体在统计学上不算非常多,但这些天体都非常暗淡,很难找到更多不带偏差的样本;不过,这些天文学家正致力于寻找更多天体,以充实他们的样本库。)还有可能,我们对褐矮星核心物理过程的理解有一点偏差。在边界附近,事情总是很难搞。

考虑到所有这些不确定因素,质量比J0523更小的恒星也是有可能找到的。不过在那之前,J0523将是最小恒星的纪录保持者。

无论如何,有件事值得一提:就像之前提到的,一颗恒星的核聚变反应率取决于恒星的质量。质量越小,反应速度就越慢,氢燃料可以维持消耗的时间就越长。因此,J0523可以持续燃烧的时间要比太阳的寿命长久许多。事实上,哪怕再过上万亿年,这颗小小的恒星仍然会快乐地发出暗淡的光芒——那时,我们的太阳已经死去很久很久了。(编辑:Steed

 

编译自:BadAstronomy.com,The Smallest Star

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热门评论

  • 2014-06-12 20:16 素食者
    恒星是质量大到足以在其核心处将氢元素聚变成氢元素的气态天体

    笔误?应该是聚变成氦吧。

    [13] 评论
  • 2014-06-12 21:10 该用户已不用这个号

    挺萌的(๑• . •๑)

    [7] 评论
  • 2014-06-12 21:40 mmdjklswd
    引用@哇擦嘞 的话:不是说木星就是因为太小烧不起来么,这货怎么烧起来的

    说看大小其实是看质量,木星虽然半径不小,但是密度不大,只和太阳相当,半径大概是太阳的十分之一,质量只有太阳的千分之一,不够那个临界数值。这颗小恒星的密度比太阳和木星大得多,应该有太阳的100倍

    [4] 评论

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全部评论(54)
  • 1楼
    2014-06-12 20:16 素食者
    恒星是质量大到足以在其核心处将氢元素聚变成氢元素的气态天体

    笔误?应该是聚变成氦吧。

    [13] 评论
  • 2楼
    2014-06-12 20:16 AkA.Footman

    “最小”有什么意义吗?

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-06-12 21:10 该用户已不用这个号

    挺萌的(๑• . •๑)

    [7] 评论
  • 4楼
    2014-06-12 21:17 哇擦嘞

    不是说木星就是因为太小烧不起来么,这货怎么烧起来的

    [0] 评论
  • 5楼
    2014-06-12 21:40 mmdjklswd
    引用@哇擦嘞 的话:不是说木星就是因为太小烧不起来么,这货怎么烧起来的

    说看大小其实是看质量,木星虽然半径不小,但是密度不大,只和太阳相当,半径大概是太阳的十分之一,质量只有太阳的千分之一,不够那个临界数值。这颗小恒星的密度比太阳和木星大得多,应该有太阳的100倍

    [4] 评论
  • 6楼
    2014-06-13 08:34 PNGSSA
    引用@哇擦嘞 的话:不是说木星就是因为太小烧不起来么,这货怎么烧起来的

    体积小和重量小是两回事

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-06-13 09:16 flyiop1
    引用@mmdjklswd 的话:说看大小其实是看质量,木星虽然半径不小,但是密度不大,只和太阳相当,半径大概是太阳的十分之一,质量只有太阳的千分之一,不够那个临界数值。这颗小恒星的密度比太阳和木星大得多,应该有太阳的100倍

    如果主要成分都是氢氦的话,为什么密度会差这么多?

    [0] 评论
  • 8楼
    2014-06-13 09:39 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用文章内容:这颗恒星被名为2MASS J05233822-1403022,我们可以简称它为J0523[这个复杂的名字表示,它是由2MASS项目(2-Micron All Sky Survey,2微米全天巡视)发现...

    起名字这事儿吧,天上的天体要是全用有意义的英文单词来表示,估计每个天体的名字至少得有这篇文章这么长。

    [2] 评论
  • 9楼
    2014-06-13 09:40 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@AkA.Footman 的话:“最小”有什么意义吗?

    文章最后说了,这种恒星寿命超长,很可能是宇宙的第一代恒星,这样的话,可以找到很多宇宙早期的信息。

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-06-13 09:45 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@flyiop1 的话:如果主要成分都是氢氦的话,为什么密度会差这么多?

    充满一个屋子的空气,变成液态一个杯子就装下了。密度和物态关系很大。

    [1] 评论
  • 11楼
    2014-06-13 09:52 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    看来不用黑石板也能点燃木星?……XD

    [3] 评论
  • 12楼
    2014-06-13 09:53 C.Why

    天文学家把所有比氢和氦更重的元素都称为“金属”。


    哦。。。三观。。

    [1] 评论
  • 13楼
    2014-06-13 10:04 杰拉华的壳

    褐矮星,为毛一下子就想到了白矮星...

    [0] 评论
  • 14楼
    2014-06-13 10:19 小略
    引用文章内容:为了确定恒星质量的下限到底在哪里

    下限在哪里…… = =

    [0] 评论
  • 15楼
    2014-06-13 10:22 三十八画生
    引用@杰拉华的壳 的话:褐矮星,为毛一下子就想到了白矮星...

    不一样啦,一个是没烧起来,一个是烧完之后的渣

    [1] 评论
  • 16楼
    2014-06-13 10:47 猫三剁

    标记一下:

    电子简并态是超高压形成的状态 只有在恒星上存在 常压下不存在
    [0] 评论
  • 17楼
    2014-06-13 11:18 凤鸣
    引用@Topp 的话:充满一个屋子的空气,变成液态一个杯子就装下了。密度和物态关系很大。

    装不下吧,一个杯子最多1升,一个小屋子也得有20立方米吧......桶装水还差不多。

    [0] 评论
  • 18楼
    2014-06-13 11:43 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@凤鸣 的话:装不下吧,一个杯子最多1升,一个小屋子也得有20立方米吧......桶装水还差不多。

    刚刚没仔细算……

    【其实一杯子装的也能充满一屋子,就是压强低点儿嘛。】

    [1] 评论
  • 19楼
    2014-06-13 12:03 rrrrr5r

    看那照片还擦了擦屏幕,一不小心就把太阳当灰尘了..

    [0] 评论
  • 20楼
    2014-06-13 12:27 hetaoljt
    引用@Topp 的话:起名字这事儿吧,天上的天体要是全用有意义的英文单词来表示,估计每个天体的名字至少得有这篇文章这么长。

    你错了,太不把数学排列组合当回事儿了~

    我记得what if提到过,用有含义的西文字母组合给可观测宇宙的所有恒星命名,几十个字节就够了……

    [1] 评论
  • 21楼
    2014-06-13 12:30 秋蚕

    啊!“那时,我们的太阳已经死去很久很久了”

    [1] 评论
  • 22楼
    2014-06-13 12:47 夜枫_21048
    引用@flyiop1 的话:如果主要成分都是氢氦的话,为什么密度会差这么多?

    密度不同很正常啊。 液态氢气密度比气态大几百倍。 压缩程度不同罢了。

    [0] 评论
  • 23楼
    2014-06-13 12:50 水晶crystal

    这么小也能成为恒星,不是80倍木星才能维持稳定的核聚变吗?

    [0] 评论
  • 24楼
    2014-06-13 13:09 zagic
    引用@夜枫_21048 的话:密度不同很正常啊。 液态氢气密度比气态大几百倍。 压缩程度不同罢了。

    压缩能力一般跟总质量和温度有关,那小恒星哪来的外力压缩。拿你那例子,大街上看到路边一滩液氢就不会喊正常了

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-06-13 13:10 lyounger 粒子天体物理博士生
    引用@杰拉华的壳 的话:褐矮星,为毛一下子就想到了白矮星...

    两类东西,白矮星是恒星的末日,褐矮星是处于受精卵状态的恒星

    [1] 评论
  • 26楼
    2014-06-13 13:12 lyounger 粒子天体物理博士生

    没写这东西的质量啊

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-06-13 14:15 Topp 天文研究生,摄影爱好者
    引用@hetaoljt 的话:你错了,太不把数学排列组合当回事儿了~我记得what if提到过,用有含义的西文字母组合给可观测宇宙的所有恒星命名,几十个字节就够了……


    卫星、小行星、彗星、系外行星、星系、星系团怎么办?

    [0] 评论
  • 28楼
    2014-06-13 15:04 水晶crystal
    引用@Calayanrail 的话:那个是80倍质量,不是80倍体积。这货虽然体积和木星差不多,但是质量比木星大得多啊。

    倒也是,不知道它多重

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-06-13 15:16 夜枫_21048
    引用@zagic 的话:压缩能力一般跟总质量和温度有关,那小恒星哪来的外力压缩。拿你那例子,大街上看到路边一滩液氢就不会喊正常了
    这个很复杂,文章中说恒星密度,温度只取决于质量是不对的。 需要看恒星中各类物质的比例,也可以理解为恒星所处的阶段
    [0] 评论
  • 30楼
    2014-06-13 16:08 上101楼

    你发现没发现它都在那里。

    [0] 评论

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