褐矮星之谜

刘声远

从“幕后”走到“台前”

2013年11月，科学家宣布，他们发现了银河系中最古老白矮星中的两颗。它们的运行速度高达每秒100～200千米，比一般恒星及其他褐矮星的运行速度都快。科学家相信它们形成于超过100亿年前，即银河系还非常年轻之时。科学家推测，它们有可能属于此前未知的一个褐矮星族群。

科学家是通过美国宇航局“宽视场红外巡天探索者”空间天文台发现这两颗褐矮星的，它们分别位于双鱼座和长蛇座。红外天空充满暗弱的红光源，其中包括发红的恒星、微弱的背景星系（它们距离银河系很远）和星云状的气体及尘埃。要想在其中识别低温的褐矮星，犹如大海捞针。但科学家研发了一种新办法，它利用“宽视场红外巡天探索者”多次扫描天空的方式，能够识别用其他方法不能揭示的低温褐矮星。接着，科学家研究从这些天体发出的红外光，这些红外光与典型的、移动较慢的褐矮星发出的红外光明显有别。光谱分析表明，这些古老褐矮星的大气层几乎全部由氢构成，而不像较年轻褐矮星的大气层那样有更多的重元素。

褐矮星是类恒星天体，但质量比恒星小得多，不到太阳质量的7%，也不像恒星那样通过核聚变产生热量。因此，褐矮星会随着时间变暗、降温。新发现的褐矮星温度为250～600℃，比恒星温度低得多（例如太阳的表面温度高达5600℃）。科学家说，新发现的两颗褐矮星可能只是冰山一角，找到更多的褐矮星有助于揭示银河系的最早期历史。

上述新闻的宣布，在宇宙学界引起了新的反响。然而，褐矮星长期以来其实一直不太被重视，直到最近它才从“幕后”走到“台前”。这究竟是怎么一回事呢？

迟到的关注

与它们的恒星姐妹相比，褐矮星真算得上是失败的恒星，不过把它们归入行星行列看来也不合适，尽管它们与行星有不少共同点。这种四不像的尴尬地位意味着，褐矮星常常被它们的更耀眼同伴的光辉所淹没，例如那些奇异的外星世界，或者烈焰闪烁的超新星。然而，正因为这种介于两者之间的性质，才使得褐矮星比科学家以往想象的还有趣、有用得多。

随着有关这些“宇宙流浪者”的新证据浮现出来，褐矮星正在挑战科学家对于行星与恒星之间差异的理论。从如雨坠落的液态铁到硅酸盐雪，一些褐矮星上的天气是我们前所未见的。它们与系外行星（即太阳系之外的行星）共享的诸多特征意味着，从它们身上能了解到对准外星世界的望远镜所不能揭示的东西。于是，太空中最不受待见的目的地——褐矮星，正在迅速变成宇宙中的“新宠儿”。

褐矮星的存在最早是由美国宇航局戈达德太空研究所（位于纽约市）的科学家希夫·库马尔在1962年暗示的，当时他疑惑这样一个问题：一颗恒星究竟可以小到何种程度？库马尔计算出，如果恒星个头低于某个极限，恒星就会由于质量太小、不足以维持氢聚变而成为简并天体，也就是变成失败之星。库马尔把这些假想的天体称为“黑矮星”，但这个名称被证明是有问题的。20世纪70年代，美国女天文学家吉尔·塔特指出，黑矮星也可指已近生命末期的黑暗、低温的恒星。于是各种不同的名称被提出，例如“恒行星”、“流产恒星”或“亚恒星”，但塔特坚持用“褐矮星”这个名称。她知道它们不可能是褐色的（请参阅相关链接《褐矮星究竟是什么颜色的？》），但她感到用褐色这么一种复合色彩来称呼它们是合适的，原因是：由于褐矮星的微弱辐射，要想观测它们的真实色彩难上加难。

塔特说对了一半：微弱的辐射意味着，在“褐矮星”一名提出后的20年里，哪怕一颗褐矮星也没能被找到。在此期间，对于褐矮星的研究也止步不前。到了1995年，“葛里斯 229b”星进入科学家的视野。这颗距离地球大约19光年的褐矮星之所以被发现，是因为红外望远镜的进步，以及把搜索目标对准比较年轻的恒星系统。在这些系统中，任何天体都比较明亮，因而也比较容易被看见。

“葛里斯 229b”的质量是木星的20～50倍，表面温度相对“凉爽”——680℃。它的发现会把褐矮星推到“前台”了吗？没那么简单。在经过30余年的推测后，褐矮星的存在才终于被证实。这应该激起很大反响了吧？熟料，褐矮星的发现时机恰逢第一颗系外行星（太阳系之外的行星）被发现，褐矮星的暗弱光芒又被遮盖了。

可是，对于一小群对褐矮星痴心不改的科学家来说，“葛里斯 229b”提出了一个耐人寻味的谜题：它是一颗恒星，但为什么它有行星那样的大气层呢？亮度和光谱分析表明，“葛里斯 229b”的大气中有甲烷。能与这种大气层相比的只有木星大气层，但木星是一颗气态巨行星而不是恒星。

迄今为止，科学家已经发现了超过1200颗褐矮星，它们都有着类似的令人困惑的大气层特征，这就引发了对于怎样归类褐矮星的争论。自从人类首次望天以来，一直都把恒星与行星区分开，而褐矮星挑战了这样的区分，因为它们模糊了恒星与行星之间的界限。

和恒星一样，褐矮星也是从一团气云的坍缩中诞生的，因此褐矮星与其他恒星分享一些共同点。它们像恒星一样拥有黑子（活跃磁场区），有些褐矮星甚至像脉冲星那样发射射电辐射（脉冲星是一种高度磁化、发射电磁辐射波束的旋转中子星。只有在辐射波束指向地球方向时，这种辐射才能在地球上被看见，这与只有在灯塔的光柱指向观测者时观测者才能看见灯塔是一样的）。在生命之初，褐矮星的密度也足以聚变出有限数量的氘（音dāo，也叫重氢）。随着引力能转变为热量，这会产生微弱的红外辐射。然而，褐矮星在其一生中逐渐降温，就好像从火中拨出的灰烬那样。一些褐矮星的表面温度最终甚至会降到只有27℃。

那么，能否因此认为褐矮星更像行星而不是恒星呢？从质量看，褐矮星的质量为木星的13～75倍，比大多数行星都大得多（在已知的系外行星中，只有3%～4%的质量有这么大）。但科学家并不清楚质量最小的恒星质量究竟有多小，质量最大的行星质量究竟有多大。从大小看，许多褐矮星都和木星相差不远。

褐矮星与气态巨行星之间也分享众多特点，包括由一氧化碳、硫化氢和水，或者甲烷和氨等毒物组成的翻滚的大气层。随着探测数据越来越多，褐矮星与行星之间的相似处也越来越多。就这样，褐矮星架起了恒星科学与行星科学之间的一座桥梁。

极端的天气

最近，科学家又遇到了一个有趣的新问题：褐矮星竟然有天气，这是为什么？这个谜题在热衷研究褐矮星的科学家当中引发了一个转移：他们的重点从简单搜寻更多的褐矮星，转变为描述那些已知的褐矮星的更多细节。

科学家一直都在推测褐矮星会有云层，因为它们的内部热量会促使气体上涌和凝结，正如太阳系外围行星大气层中的情况那样。最近，科学家开始能够观测随时间变化的褐矮星天气。过去几年中科学家意识到，由褐矮星发出的红外光水平的变动也许能反映大气层的变化模式。通过让望远镜一次连续对准一颗褐矮星长达数月，科学家开始相信，褐矮星红外辐射中的某些变化是由巨型风暴引起的。

如果要对这些褐矮星进行每日天气预报，那就应该用“极端”这个词来描述。通过对恒星的化学组成进行研究，科学家了解到温度较高的褐矮星的大气层中包含气态铁和硅酸盐，它们在上升、冷却过程中最终会凝固。试想一下由液态铁组成的雨滴，还有从旋转云层中缓缓落下的炽热沙粒——硅酸盐雪。科学家推测，褐矮星上的这些循环与地球上的水循环几乎没有区别。

可以说，褐矮星让科学家首次详尽了解到太阳系以外的天气。与之相比，系外行星上的天气很难被看见——系外行星过于暗弱，它们的光谱不是总能得到，因为需要大型望远镜以及找到去掉恒星光芒的方法。科学家指出，从褐矮星了解到的信息可能有助于揭示系外行星的气候，还有助于磨练探索系外行星所需的技术。从这个意义上说，褐矮星是太阳系外的巨行星的绝佳代言人。

例如，当一颗褐矮星的大气层降温时，它的云层系统特征会陡然转变，常常是云层几乎全部消散，这暗示在气态的系外行星上可能出现类似的模式。褐矮星暗示，在亚恒星（质量小于恒星）天体之间存在很大的多样性，这意味着系外行星在将来会带给地球人更多的惊喜。至于温度最低的褐矮星，其天气模式堪比地球，其中一些褐矮星甚至可能拥有由水蒸气组成的云层，其表面温度与地球的或太阳系行星的没有什么区别。

有些行星只有一个半面被恒星加热，它们的天气会怎样？其他褐矮星能提供这方面的线索。在一些系统中，褐矮星与白矮星（请参阅相关链接《白矮星会变成黑矮星吗？》）成对，褐矮星被白矮星的引力锁定，因此褐矮星只有一个半面沐浴在白矮星的辐射中。科学家正在研究这种褐矮星的大气效应：它们是否只有一个半面受热？如果不是，是否有飓风把热量从热的半球传递到冷的半球？了解这样的超音速风会怎样影响天气模式，将有助于弄清那些系外岩石行星的潜在可居住性。

或许最诱人的启示是，褐矮星也可能有行星相伴。没错，科学家不久前宣布发现了已知第一颗环绕褐矮星的行星，它的质量差不多是木星的两倍。科学家推测，褐矮星周围形成行星的机制可能遵循标准的行星形成机制。虽然上述行星是一颗气态巨行星，但由于环绕年轻褐矮星的材料比环绕大质量恒星的材料少，因此未来可能会发现许多较小的岩石行星。所以，生命有可能存在于一颗环绕褐矮星的行星上。

考虑到褐矮星的这些特点，或许不应该再试图把它们归结为恒星或行星。褐矮星就是褐矮星，或许它们是和恒星、行星并列的另一类天体。