褐矮星之謎

劉聲遠(yuǎn)

從“幕后”走到“臺前”

2013年11月，科學(xué)家宣布，他們發(fā)現(xiàn)了銀河系中最古老白矮星中的兩顆。它們的運(yùn)行速度高達(dá)每秒100～200千米，比一般恒星及其他褐矮星的運(yùn)行速度都快?？茖W(xué)家相信它們形成于超過100億年前，即銀河系還非常年輕之時?？茖W(xué)家推測，它們有可能屬于此前未知的一個褐矮星族群。

科學(xué)家是通過美國宇航局“寬視場紅外巡天探索者”空間天文臺發(fā)現(xiàn)這兩顆褐矮星的，它們分別位于雙魚座和長蛇座。紅外天空充滿暗弱的紅光源，其中包括發(fā)紅的恒星、微弱的背景星系（它們距離銀河系很遠(yuǎn)）和星云狀的氣體及塵埃。要想在其中識別低溫的褐矮星，猶如大海撈針。但科學(xué)家研發(fā)了一種新辦法，它利用“寬視場紅外巡天探索者”多次掃描天空的方式，能夠識別用其他方法不能揭示的低溫褐矮星。接著，科學(xué)家研究從這些天體發(fā)出的紅外光，這些紅外光與典型的、移動較慢的褐矮星發(fā)出的紅外光明顯有別。光譜分析表明，這些古老褐矮星的大氣層幾乎全部由氫構(gòu)成，而不像較年輕褐矮星的大氣層那樣有更多的重元素。

褐矮星是類恒星天體，但質(zhì)量比恒星小得多，不到太陽質(zhì)量的7%，也不像恒星那樣通過核聚變產(chǎn)生熱量。因此，褐矮星會隨著時間變暗、降溫。新發(fā)現(xiàn)的褐矮星溫度為250～600℃，比恒星溫度低得多（例如太陽的表面溫度高達(dá)5600℃）?？茖W(xué)家說，新發(fā)現(xiàn)的兩顆褐矮星可能只是冰山一角，找到更多的褐矮星有助于揭示銀河系的最早期歷史。

上述新聞的宣布，在宇宙學(xué)界引起了新的反響。然而，褐矮星長期以來其實一直不太被重視，直到最近它才從“幕后”走到“臺前”。這究竟是怎么一回事呢？

遲到的關(guān)注

與它們的恒星姐妹相比，褐矮星真算得上是失敗的恒星，不過把它們歸入行星行列看來也不合適，盡管它們與行星有不少共同點。這種四不像的尷尬地位意味著，褐矮星常常被它們的更耀眼同伴的光輝所淹沒，例如那些奇異的外星世界，或者烈焰閃爍的超新星。然而，正因為這種介于兩者之間的性質(zhì)，才使得褐矮星比科學(xué)家以往想象的還有趣、有用得多。

隨著有關(guān)這些“宇宙流浪者”的新證據(jù)浮現(xiàn)出來，褐矮星正在挑戰(zhàn)科學(xué)家對于行星與恒星之間差異的理論。從如雨墜落的液態(tài)鐵到硅酸鹽雪，一些褐矮星上的天氣是我們前所未見的。它們與系外行星（即太陽系之外的行星）共享的諸多特征意味著，從它們身上能了解到對準(zhǔn)外星世界的望遠(yuǎn)鏡所不能揭示的東西。于是，太空中最不受待見的目的地——褐矮星，正在迅速變成宇宙中的“新寵兒”。

褐矮星的存在最早是由美國宇航局戈達(dá)德太空研究所（位于紐約市）的科學(xué)家希夫·庫馬爾在1962年暗示的，當(dāng)時他疑惑這樣一個問題：一顆恒星究竟可以小到何種程度？庫馬爾計算出，如果恒星個頭低于某個極限，恒星就會由于質(zhì)量太小、不足以維持氫聚變而成為簡并天體，也就是變成失敗之星。庫馬爾把這些假想的天體稱為“黑矮星”，但這個名稱被證明是有問題的。20世紀(jì)70年代，美國女天文學(xué)家吉爾·塔特指出，黑矮星也可指已近生命末期的黑暗、低溫的恒星。于是各種不同的名稱被提出，例如“恒行星”、“流產(chǎn)恒星”或“亞恒星”，但塔特堅持用“褐矮星”這個名稱。她知道它們不可能是褐色的（請參閱相關(guān)鏈接《褐矮星究竟是什么顏色的？》），但她感到用褐色這么一種復(fù)合色彩來稱呼它們是合適的，原因是：由于褐矮星的微弱輻射，要想觀測它們的真實色彩難上加難。

塔特說對了一半：微弱的輻射意味著，在“褐矮星”一名提出后的20年里，哪怕一顆褐矮星也沒能被找到。在此期間，對于褐矮星的研究也止步不前。到了1995年，“葛里斯 229b”星進(jìn)入科學(xué)家的視野。這顆距離地球大約19光年的褐矮星之所以被發(fā)現(xiàn)，是因為紅外望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)步，以及把搜索目標(biāo)對準(zhǔn)比較年輕的恒星系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，任何天體都比較明亮，因而也比較容易被看見。

“葛里斯 229b”的質(zhì)量是木星的20～50倍，表面溫度相對“涼爽”——680℃。它的發(fā)現(xiàn)會把褐矮星推到“前臺”了嗎？沒那么簡單。在經(jīng)過30余年的推測后，褐矮星的存在才終于被證實。這應(yīng)該激起很大反響了吧？熟料，褐矮星的發(fā)現(xiàn)時機(jī)恰逢第一顆系外行星（太陽系之外的行星）被發(fā)現(xiàn)，褐矮星的暗弱光芒又被遮蓋了。

可是，對于一小群對褐矮星癡心不改的科學(xué)家來說，“葛里斯 229b”提出了一個耐人尋味的謎題：它是一顆恒星，但為什么它有行星那樣的大氣層呢？亮度和光譜分析表明，“葛里斯 229b”的大氣中有甲烷。能與這種大氣層相比的只有木星大氣層，但木星是一顆氣態(tài)巨行星而不是恒星。

迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過1200顆褐矮星，它們都有著類似的令人困惑的大氣層特征，這就引發(fā)了對于怎樣歸類褐矮星的爭論。自從人類首次望天以來，一直都把恒星與行星區(qū)分開，而褐矮星挑戰(zhàn)了這樣的區(qū)分，因為它們模糊了恒星與行星之間的界限。

和恒星一樣，褐矮星也是從一團(tuán)氣云的坍縮中誕生的，因此褐矮星與其他恒星分享一些共同點。它們像恒星一樣擁有黑子（活躍磁場區(qū)），有些褐矮星甚至像脈沖星那樣發(fā)射射電輻射（脈沖星是一種高度磁化、發(fā)射電磁輻射波束的旋轉(zhuǎn)中子星。只有在輻射波束指向地球方向時，這種輻射才能在地球上被看見，這與只有在燈塔的光柱指向觀測者時觀測者才能看見燈塔是一樣的）。在生命之初，褐矮星的密度也足以聚變出有限數(shù)量的氘（音dāo，也叫重氫）。隨著引力能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，這會產(chǎn)生微弱的紅外輻射。然而，褐矮星在其一生中逐漸降溫，就好像從火中撥出的灰燼那樣。一些褐矮星的表面溫度最終甚至?xí)档街挥?7℃。

那么，能否因此認(rèn)為褐矮星更像行星而不是恒星呢？從質(zhì)量看，褐矮星的質(zhì)量為木星的13～75倍，比大多數(shù)行星都大得多（在已知的系外行星中，只有3%～4%的質(zhì)量有這么大）。但科學(xué)家并不清楚質(zhì)量最小的恒星質(zhì)量究竟有多小，質(zhì)量最大的行星質(zhì)量究竟有多大。從大小看，許多褐矮星都和木星相差不遠(yuǎn)。

褐矮星與氣態(tài)巨行星之間也分享眾多特點，包括由一氧化碳、硫化氫和水，或者甲烷和氨等毒物組成的翻滾的大氣層。隨著探測數(shù)據(jù)越來越多，褐矮星與行星之間的相似處也越來越多。就這樣，褐矮星架起了恒星科學(xué)與行星科學(xué)之間的一座橋梁。

極端的天氣

最近，科學(xué)家又遇到了一個有趣的新問題：褐矮星竟然有天氣，這是為什么？這個謎題在熱衷研究褐矮星的科學(xué)家當(dāng)中引發(fā)了一個轉(zhuǎn)移：他們的重點從簡單搜尋更多的褐矮星，轉(zhuǎn)變?yōu)槊枋瞿切┮阎暮职堑母嗉?xì)節(jié)。

科學(xué)家一直都在推測褐矮星會有云層，因為它們的內(nèi)部熱量會促使氣體上涌和凝結(jié)，正如太陽系外圍行星大氣層中的情況那樣。最近，科學(xué)家開始能夠觀測隨時間變化的褐矮星天氣。過去幾年中科學(xué)家意識到，由褐矮星發(fā)出的紅外光水平的變動也許能反映大氣層的變化模式。通過讓望遠(yuǎn)鏡一次連續(xù)對準(zhǔn)一顆褐矮星長達(dá)數(shù)月，科學(xué)家開始相信，褐矮星紅外輻射中的某些變化是由巨型風(fēng)暴引起的。

如果要對這些褐矮星進(jìn)行每日天氣預(yù)報，那就應(yīng)該用“極端”這個詞來描述。通過對恒星的化學(xué)組成進(jìn)行研究，科學(xué)家了解到溫度較高的褐矮星的大氣層中包含氣態(tài)鐵和硅酸鹽，它們在上升、冷卻過程中最終會凝固。試想一下由液態(tài)鐵組成的雨滴，還有從旋轉(zhuǎn)云層中緩緩落下的熾熱沙?！杷猁}雪?？茖W(xué)家推測，褐矮星上的這些循環(huán)與地球上的水循環(huán)幾乎沒有區(qū)別。

可以說，褐矮星讓科學(xué)家首次詳盡了解到太陽系以外的天氣。與之相比，系外行星上的天氣很難被看見——系外行星過于暗弱，它們的光譜不是總能得到，因為需要大型望遠(yuǎn)鏡以及找到去掉恒星光芒的方法。科學(xué)家指出，從褐矮星了解到的信息可能有助于揭示系外行星的氣候，還有助于磨練探索系外行星所需的技術(shù)。從這個意義上說，褐矮星是太陽系外的巨行星的絕佳代言人。

例如，當(dāng)一顆褐矮星的大氣層降溫時，它的云層系統(tǒng)特征會陡然轉(zhuǎn)變，常常是云層幾乎全部消散，這暗示在氣態(tài)的系外行星上可能出現(xiàn)類似的模式。褐矮星暗示，在亞恒星（質(zhì)量小于恒星）天體之間存在很大的多樣性，這意味著系外行星在將來會帶給地球人更多的驚喜。至于溫度最低的褐矮星，其天氣模式堪比地球，其中一些褐矮星甚至可能擁有由水蒸氣組成的云層，其表面溫度與地球的或太陽系行星的沒有什么區(qū)別。

有些行星只有一個半面被恒星加熱，它們的天氣會怎樣？其他褐矮星能提供這方面的線索。在一些系統(tǒng)中，褐矮星與白矮星（請參閱相關(guān)鏈接《白矮星會變成黑矮星嗎？》）成對，褐矮星被白矮星的引力鎖定，因此褐矮星只有一個半面沐浴在白矮星的輻射中?？茖W(xué)家正在研究這種褐矮星的大氣效應(yīng)：它們是否只有一個半面受熱？如果不是，是否有颶風(fēng)把熱量從熱的半球傳遞到冷的半球？了解這樣的超音速風(fēng)會怎樣影響天氣模式，將有助于弄清那些系外巖石行星的潛在可居住性。

或許最誘人的啟示是，褐矮星也可能有行星相伴。沒錯，科學(xué)家不久前宣布發(fā)現(xiàn)了已知第一顆環(huán)繞褐矮星的行星，它的質(zhì)量差不多是木星的兩倍?？茖W(xué)家推測，褐矮星周圍形成行星的機(jī)制可能遵循標(biāo)準(zhǔn)的行星形成機(jī)制。雖然上述行星是一顆氣態(tài)巨行星，但由于環(huán)繞年輕褐矮星的材料比環(huán)繞大質(zhì)量恒星的材料少，因此未來可能會發(fā)現(xiàn)許多較小的巖石行星。所以，生命有可能存在于一顆環(huán)繞褐矮星的行星上。

考慮到褐矮星的這些特點，或許不應(yīng)該再試圖把它們歸結(jié)為恒星或行星。褐矮星就是褐矮星，或許它們是和恒星、行星并列的另一類天體。