褐矮星：失敗的恒星

張唯誠(chéng)

1962年，美國(guó)航空航天局戈達(dá)德研究所的科學(xué)家謝夫·庫(kù)馬爾開(kāi)始琢磨這樣一個(gè)問(wèn)題：一顆恒星究竟可以小到什么程度，他的計(jì)算表明，當(dāng)恒星小到一定程度時(shí)，它們的質(zhì)量便不足以啟動(dòng)和維持氫的核聚變，從而無(wú)法成為一顆合格的恒星。通常情況下，如果恒星的質(zhì)量達(dá)到13個(gè)木星的質(zhì)量，就可以燃燒氘，但氘所釋放的能量十分微弱，所以這類(lèi)恒星燃燒的時(shí)間往往很短，只是一顆“失敗的恒星”。

被冷落的“小不點(diǎn)”

庫(kù)馬爾把這種“失敗的恒星”稱(chēng)為“黑矮星”。但由于“黑矮星”已被用來(lái)稱(chēng)呼一種抵達(dá)了生命終點(diǎn)且已停止發(fā)光發(fā)熱的恒星，所以人們覺(jué)得“黑矮星”這個(gè)名字不合適，應(yīng)該給它們重新取一個(gè)名字，例如“恒行星”“流產(chǎn)恒星”或者“亞恒星”等。最后，美國(guó)天文學(xué)家吉爾·塔特確定了“褐矮星”這個(gè)名字，但這個(gè)名字也并非名副其實(shí)，只是為了便于區(qū)別。事實(shí)上，假如用肉眼去看，褐矮星并不是褐色的，如果你乘宇宙飛船接近褐矮星，可能完全看不到它，因?yàn)樗l(fā)出的可見(jiàn)光非常少。如果能靠得很近，你才有可能看到某些區(qū)域發(fā)出的微弱光線，因?yàn)槟抢锏臏囟认鄬?duì)高一些。不過(guò)，那些光也不是褐色的，它極有可能是一種很深的橙色。

由于褐矮星的輻射非常微弱，所以盡管當(dāng)時(shí)人們預(yù)測(cè)到宇宙中有這種星球，并且還給它們?nèi)『昧嗣?，但真正發(fā)現(xiàn)它們卻是數(shù)十年以后的事。這得益于紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)技術(shù)的提高。1995年，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了第一顆褐矮星——格利澤229B。

格利澤229B處于天兔座，距地球19光年，表面溫度約680℃，半徑為太陽(yáng)半徑的69%，質(zhì)量為木星質(zhì)量的20倍至50倍。由于質(zhì)量太小，這顆星無(wú)法維持氫的核聚變，于是成了一顆褐矮星。

格利澤229B的發(fā)現(xiàn)本該是天文學(xué)中的一個(gè)大事件，但由于1995年發(fā)生了更大的天文事件，那就是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了首顆系外行星，這件事?lián)寠Z了天文學(xué)家的所有視線，褐矮星便被人們冷落了。

是恒星還是行星

對(duì)專(zhuān)注于褐矮星的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，格利澤229B是非常誘人的。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，盡管格利澤229B是一顆恒星，卻擁有行星的大氣。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了科學(xué)家極大的興趣。

之后，越來(lái)越多的褐矮星被發(fā)現(xiàn)，至今人們已發(fā)現(xiàn)了1200多顆褐矮星。隨著人們對(duì)這種星球的了解逐漸增多，有關(guān)它們的疑問(wèn)和爭(zhēng)論也越來(lái)越多了。

首先，褐矮星究竟是恒星還是行星？恒星和行星之間的界線本來(lái)是很清晰的，但褐矮星的出現(xiàn)卻使這個(gè)問(wèn)題變得復(fù)雜起來(lái)，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常表現(xiàn)得很像行星。美國(guó)自然歷史博物館的本·奧本海默是發(fā)現(xiàn)格利澤229B的科學(xué)家之一，他說(shuō)：“很顯然，格利澤229B是極為不同的……除了它的光度和光譜外，還有甲烷，唯一和它相似的就是木星?！钡珚W本海默也承認(rèn)，格利澤229B并不是一顆氣態(tài)巨行星，它應(yīng)該還是一顆恒星。英國(guó)赫特福德大學(xué)的本·伯寧罕則說(shuō)：“褐矮星究竟是行星還是恒星，這取決于你問(wèn)的是什么問(wèn)題?！?/p>

褐矮星的確具有恒星的特質(zhì)，例如它們形成于星際氣體云的坍塌，擁有恒星的磁斑，有些還會(huì)像脈沖星那樣發(fā)出射電輻射；它們的密度也足夠高，可以聚變數(shù)量有限的氘，能產(chǎn)生暗弱的紅外輻射等。但另一方面，它們又持續(xù)冷卻，因此它們的溫度非常低，有些褐矮星的表面溫度甚至比行星還要低?？茖W(xué)家在距離地球40光年遠(yuǎn)的地方發(fā)現(xiàn)了一顆褐矮星，其表面溫度為350℃，與水星赤道表面的溫度相近，比金星表面的溫度低?？茖W(xué)家用最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，甚至發(fā)現(xiàn)了表面溫度只有30℃的褐矮星。假若把褐矮星定位于恒星，這樣的低溫實(shí)在是太不可思議了。

由于溫度低，一些褐矮星看上去更具行星的特征，尤其是那些氣態(tài)巨行星。例如，它們會(huì)擁有一個(gè)充滿(mǎn)一氧化碳、硫化氫、水，或者甲烷和氨的大氣。這層大氣翻騰著，流動(dòng)著，形成各自奇妙、異常的天氣系統(tǒng)，給科學(xué)家提供了了解宇宙中星球大氣活動(dòng)規(guī)律的機(jī)會(huì)，人們對(duì)褐矮星的探測(cè)也從尋找更多褐矮星向觀測(cè)褐矮星的更多細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)變。研究表明，褐矮星內(nèi)部的熱量會(huì)促使氣流上升，從而凝結(jié)成云，這和行星上的大氣活動(dòng)十分相似。人們還注意到，褐矮星上的大氣活動(dòng)非常猛烈。多倫多大學(xué)的天文學(xué)家在觀測(cè)一顆褐矮星時(shí)發(fā)現(xiàn)，這顆星平均每8小時(shí)就會(huì)發(fā)生大范圍的明暗變化，這說(shuō)明在其上很可能存在不均勻的云層，而且一場(chǎng)類(lèi)似于木星大紅斑的風(fēng)暴正在發(fā)生，但它的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)木星大紅斑。研究系外天氣系統(tǒng)的絕妙范本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，那些大氣溫度很高的褐矮星擁有氣態(tài)的鐵和硅酸鹽，這些鐵和硅酸鹽會(huì)隨著高度的上升、溫度的下降而凝結(jié)，并最終變成雨。想象一下，熔化的鐵雨在由熾熱沙粒組成的、打著旋的云層中傾瀉而下，而那些沙粒也終會(huì)變成硅酸鹽“雪花”，在空中飛舞。美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心的馬克·馬利說(shuō)，褐矮星上的這種情形“與地球上的水循環(huán)非常相似”。

于是，褐矮星便成了我們?cè)敿?xì)研究太陽(yáng)系外天氣系統(tǒng)的絕妙“范本”。系外行星很難觀測(cè)，它們過(guò)于暗淡，很難獲得它們的光譜，除非用非常大的望遠(yuǎn)鏡，還要想辦法去掉星光的影響。用褐矮星來(lái)研究天氣現(xiàn)象就容易多了，由于褐矮星和太陽(yáng)系外的巨行星有極大的相似性，科學(xué)家便可以先從褐矮星入手了解星球天氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，從而讓我們對(duì)系外行星的氣候有所認(rèn)識(shí)，還可以幫助我們發(fā)展探測(cè)系外行星天氣系統(tǒng)所需要的技術(shù)。盡管褐矮星與系外行星不同，但它們可以讓我們了解星球上天氣系統(tǒng)的多樣性。天文學(xué)家推測(cè)，到了我們能夠很好地觀測(cè)系外行星的時(shí)候，我們對(duì)這樣的多樣性將體會(huì)得更多。

例如，有些系外行星始終把一面朝向它們的“太陽(yáng)”，而褐矮星也有這樣的情況?？茖W(xué)家研究了一些由白矮星和褐矮星組成的雙星系統(tǒng)，其中的褐矮星便始終以一面朝向白矮星，就像月亮總以一面朝向地球一樣?？茖W(xué)家感興趣的是，在這種情況下，星球真的只有一面會(huì)被加熱嗎？星球上的風(fēng)會(huì)不會(huì)將熱量輸送到背向輻射源的另一面呢？這類(lèi)問(wèn)題的答案至關(guān)重要，它會(huì)幫助人們更準(zhǔn)確地了解系外行星上的天氣情況。

褐矮星周?chē)行行菃幔?/p>

2013年7月，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆繞褐矮星公轉(zhuǎn)的行星，它的質(zhì)量大約是木星的2倍。顯然，這是一顆氣態(tài)巨行星。但科學(xué)家認(rèn)為，褐矮星周?chē)鷺O有可能存在較小的巖石行星，而生命，就有可能出現(xiàn)在這種繞褐矮星運(yùn)行的巖石行星上。

天文學(xué)家將尋找這些環(huán)繞褐矮星運(yùn)行的行星，希望能夠發(fā)現(xiàn)可維持生命存在的星球。這種行星應(yīng)該離褐矮星非常近，否則褐矮星微弱的溫度便不足以溫暖它們。在這樣的行星上，地球上的1年有可能是它們的50年，所以為科學(xué)家研究它們提供了更多的機(jī)會(huì)。因?yàn)樗鼈冊(cè)?地球年的時(shí)間里可以出現(xiàn)50次掩星，這有利于科學(xué)家更加有效地研究行星上的大氣層。從某種意義上說(shuō)，這相當(dāng)于50年的研究。

那么，褐矮星究竟是什么星呢？這個(gè)問(wèn)題我們依然不好回答。有科學(xué)家認(rèn)為，由于它們是獨(dú)特的，所以再爭(zhēng)論它們是行星還是恒星已經(jīng)沒(méi)有必要了，它們看上去是可以“自立門(mén)戶(hù)”的一種天體。endprint