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?！斑@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?！斑@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。“大家總是開會(huì)爭(zhēng)論這個(gè)問(wèn)題，”英國(guó)愛丁堡大學(xué)的天文學(xué)家貝絲?比勒（Beth Biller）如是說(shuō)?？茖W(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?！?/p>
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?！奥愿哂谙灎T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)?！斑@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。盡管“褐矮星”這個(gè)名稱是于 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 光年開外的褐矮星的表面風(fēng)速。團(tuán)隊(duì)首先觀察到：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?！皩?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?！?/p>
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?！斑@些褐矮星的質(zhì)量恰好處于氫聚變開始發(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?！拔覀儗?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?！拔覀円阎行┖职窍到y(tǒng)中似乎存在環(huán)繞褐矮星運(yùn)行的原行星盤，”柯克帕特里克表示道。“并且，種種跡象表明，某些褐矮星周圍或許也存在繞其公轉(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?！?/p>
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?！拔覀冋J(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，他能錨定類似的天體進(jìn)行研究?！拔蚁胝业搅硪活w類似‘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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