一顆名為“意外（The Accident）”的褐矮星正照亮著行星與恒星之間的模糊邊界地帶。

2018 年 11 月 3 日，丹?卡斯?fàn)柕牵―an Caselden）熬夜玩《反恐精英》這款游戲時(shí)，創(chuàng)造了天文學(xué)界的歷史。每當(dāng)他的游戲角色“死亡”時(shí)，他都會(huì)登入筆記本電腦，查看運(yùn)行中的 NASA 太空望遠(yuǎn)鏡圖像的自動(dòng)搜索情況。

突然，在凌晨時(shí)分，視野中出現(xiàn)了一個(gè)奇怪的物體。“這太令人困惑了，”卡斯?fàn)柕钦f(shuō)道，“這顆幽暗的星體移動(dòng)速度極快，比我過(guò)去發(fā)現(xiàn)的任何星體都快，甚是奇怪。”

卡斯?fàn)柕窍騾⑴c“后院世界：第九行星”（Backyard Worlds: Planet 9）項(xiàng)目的天文學(xué)家們發(fā)送了電子郵件。在排除了這是圖像偽影的可能性后，天文學(xué)家們意識(shí)到，他們正在觀(guān)察一顆非同尋常的星體，即一顆距離地球 50 光年、以每秒 200 公里的速度穿越銀河系的極其暗淡的天體。該天體被命名為 WISE 1534-1043，但由于該星體的天體特征獨(dú)特，發(fā)現(xiàn)過(guò)程又純屬偶然，因此該星體很快就獲得了“意外”這個(gè)綽號(hào)。

現(xiàn)在，天文學(xué)家們認(rèn)為，卡斯?fàn)柕前l(fā)現(xiàn)的是一顆褐矮星，一顆由于質(zhì)量不足以引發(fā)核聚變，因此未能成為恒星的星體。“這顆星體的形成過(guò)程和恒星一樣，”英國(guó)萊斯特大學(xué)的天文學(xué)家莎拉?凱斯威爾（Sarah Casewell）如是說(shuō)，“然而，這顆星體由于質(zhì)量不足，所以從未能夠?qū)渚圩兂珊?lái)燃燒。”

這顆名為“意外”的褐矮星的發(fā)現(xiàn)，揭露了我們對(duì)褐矮星認(rèn)識(shí)的不足。褐矮星的質(zhì)量范圍約為木星質(zhì)量的 13 倍到 75 倍，甚至更大。然而，褐矮星質(zhì)量范圍的兩端具體的極值是多少，仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。“大家總是開(kāi)會(huì)爭(zhēng)論這個(gè)問(wèn)題，”英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的天文學(xué)家貝絲?比勒（Beth Biller）如是說(shuō)。科學(xué)家們尤其糾結(jié)褐矮星的質(zhì)量下限，并就此爭(zhēng)論不休。雖然達(dá)到 13 倍的木星質(zhì)量就有了發(fā)生氘聚變的條件，而氘聚變是區(qū)分褐矮星和氣態(tài)巨行星的特征，但該質(zhì)量邊界可能會(huì)有所變化。比勒表示：“13 個(gè)木星質(zhì)量并無(wú)特殊含義，該數(shù)值完全是為了方便而設(shè)定的。”

褐矮星之間的溫度差異很大。溫度最高的褐矮星表面溫度約為 2000 攝氏度。“略高于蠟燭火焰的溫度，”比勒表示。至于溫度最低的褐矮星，其表面溫度則低于 200 攝氏度。由于缺乏內(nèi)部熱源，褐矮星將在數(shù)十億年內(nèi)逐漸冷卻，直到降到較低的溫度。（亞矮星進(jìn)一步模糊了行星和褐矮星之間的界限，其表面溫度甚至可能更低。一顆被命名為 WISE 0855-0714 的亞矮星，其表面溫度低于冰點(diǎn)。“這是已知的太陽(yáng)系外最冷的天體，”比勒說(shuō)道。）

人們?nèi)圆磺宄职窃诮嚯x下的外觀(guān)。盡管“褐矮星”這個(gè)名稱(chēng)是于 1975 年，由天文學(xué)家吉爾?塔特爾（Jill Tarter）命名的，但該天體很可能并非褐色。其真實(shí)顏色更偏橙色或紅色。“無(wú)論如何，褐矮星這個(gè)名稱(chēng)已經(jīng)定下來(lái)了，”加州理工學(xué)院的天文學(xué)家戴維?柯克帕特里克（Davy Kirkpatrick）表示道。

褐矮星也有大氣層，并且其大氣層上可能有著和木星類(lèi)似的帶狀和斑點(diǎn)狀的風(fēng)暴。去年，比勒和她的同事利用褐矮星大氣層上的風(fēng)暴，測(cè)量了一顆距離地球約 34 光年開(kāi)外的褐矮星的表面風(fēng)速。團(tuán)隊(duì)首先觀(guān)察到：褐矮星大氣層中的特征隨著褐矮星的旋轉(zhuǎn)而浮現(xiàn)又消失。然后，研究人員將這一速度與通過(guò)磁場(chǎng)測(cè)量得到的褐矮星內(nèi)部旋轉(zhuǎn)速度作比較。通過(guò)比較這兩個(gè)數(shù)值，研究人員計(jì)算出，該褐矮星表面的風(fēng)速超過(guò)每小時(shí) 2300 公里 —— 是木星風(fēng)速的五倍以上。

由于褐矮星在恒星和行星之間架起了一座橋梁，所以可以幫助我們理解兩者之間的關(guān)系。在質(zhì)量范圍的上限處，最大褐矮星和最小恒星之間的界限有助于我們了解核聚變是如何開(kāi)始的。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的諾蘭?格里夫斯（Nolan Grieves）表示，只有一個(gè)天體的核心達(dá)到大約 300 萬(wàn)攝氏度時(shí)，才能引發(fā)核聚變，從而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，將氫轉(zhuǎn)化為氦。但是，沒(méi)有人知道，確切的需要多少質(zhì)量才能引發(fā)核聚變；也無(wú)人知曉，褐矮星是在何時(shí)變成恒星的。“對(duì)于有關(guān)恒星演化的諸多方面的知識(shí)，我們?nèi)匀幌喈?dāng)不確定，”比勒說(shuō)道，“引發(fā)核聚變的最小質(zhì)量值到底是多少，這是一個(gè)問(wèn)題。”

最近，由格里夫斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了五顆大質(zhì)量褐矮星，其質(zhì)量在木星的 77 到 98 倍之間。“這些褐矮星的質(zhì)量恰好處于氫聚變開(kāi)始發(fā)生的邊界質(zhì)量值，”格里夫斯說(shuō)道。然而，目前尚不清楚這五顆褐矮星的質(zhì)量究竟是位于質(zhì)量界限之上還是之下。“我們對(duì)這些天體的真實(shí)性質(zhì)一無(wú)所知，”格里夫斯表示，“因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量非常接近極值。”

某些褐矮星可能與恒星極其相似，甚至也許擁有自己的行星。“我們已知，有些褐矮星系統(tǒng)中似乎存在環(huán)繞褐矮星運(yùn)行的原行星盤(pán)，”柯克帕特里克表示道。“并且，種種跡象表明，某些褐矮星周?chē)蛟S也存在繞其公轉(zhuǎn)的外行星。一個(gè)如圣杯般神圣的目標(biāo)是去找到一顆存在‘外行星凌日’現(xiàn)象的褐矮星。”

那顆名叫“意外”的褐矮星，則處在褐矮星質(zhì)量范圍的最小值一端。這是一顆極小、極冷的幽暗星體。“這顆褐矮星的質(zhì)量才剛剛達(dá)到了我們能夠探測(cè)到的邊界值”，柯克帕特里克表示道。天文學(xué)家們渴望弄清低質(zhì)量褐矮星和高質(zhì)量氣態(tài)巨行星之間的區(qū)別。因此，像“意外”這樣的小而幽暗的褐矮星成為了科學(xué)家們的研究目標(biāo)。

這顆名為“意外”的褐矮星似乎也是由一些奇怪的物質(zhì)構(gòu)成的。隨著宇宙年齡增長(zhǎng)，超新星會(huì)噴射出大量的重元素，如碳和氧 —— 天文學(xué)家稱(chēng)之為“金屬元素”。因此，在宇宙歷史早期形成的古老天體中，金屬含量往往較少。而新天體的金屬含量則較多。然而，盡管褐矮星“意外”是在太陽(yáng)系附近發(fā)現(xiàn)的 —— 那里主要聚集了年輕且富含金屬的恒星 —— 但褐矮星“意外”中的金屬含量卻似乎很少。“我們認(rèn)為，這很可能是一顆較老的褐矮星，或許形成于銀河系金屬富集之前，”柯克帕特里克說(shuō)道。凱斯韋爾補(bǔ)充說(shuō)，這顆褐矮星極有可能是銀河系中“最早形成的褐矮星之一”，該星體形成于銀暈的外圍，然后向內(nèi)遷移，到達(dá)如今的位置。

正如宇宙中諸多其他現(xiàn)象一樣，這一發(fā)現(xiàn)表明，這些既難以捉摸又神秘莫測(cè)的天體有著各種各樣的特征，因此，將這些天體劃分到嚴(yán)格定義的某一類(lèi)別絕非易事。與此同時(shí)，卡斯?fàn)柕窍Ｍ谖磥?lái)能為該領(lǐng)域做出更多貢獻(xiàn)。也許現(xiàn)在，當(dāng)他確定了探尋目標(biāo)之后，他能錨定類(lèi)似的天體進(jìn)行研究。“我想找到另一顆類(lèi)似‘意外’的褐矮星，”他說(shuō)，“而且我希望這次不是意外。”

作者：Jonathan O'Callaghan

翻譯：邊穎

審校：K.Collider

原文鏈接：Neither Star nor Planet: A Strange Brown Dwarf Puzzles Astronomers

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：微信公眾號(hào)（ID：null），作者：J. O'Callaghan

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以上是生活随笔為你收集整理的褐矮星：论如何在恒星和行星的分界线上左右横跳的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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