褐矮星：失敗的恒星

張唯誠

1962年，美國航空航天局戈達德研究所的科學家謝夫·庫馬爾開始琢磨這樣一個問題：一顆恒星究竟可以小到什么程度，他的計算表明，當恒星小到一定程度時，它們的質量便不足以啟動和維持氫的核聚變，從而無法成為一顆合格的恒星。通常情況下，如果恒星的質量達到13個木星的質量，就可以燃燒氘，但氘所釋放的能量十分微弱，所以這類恒星燃燒的時間往往很短，只是一顆“失敗的恒星”。

被冷落的“小不點”

庫馬爾把這種“失敗的恒星”稱為“黑矮星”。但由于“黑矮星”已被用來稱呼一種抵達了生命終點且已停止發光發熱的恒星，所以人們覺得“黑矮星”這個名字不合適，應該給它們重新取一個名字，例如“恒行星”“流產恒星”或者“亞恒星”等。最后，美國天文學家吉爾·塔特確定了“褐矮星”這個名字，但這個名字也并非名副其實，只是為了便于區別。事實上，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，因為它發出的可見光非常少。如果能靠得很近，你才有可能看到某些區域發出的微弱光線，因為那里的溫度相對高一些。不過，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，所以盡管當時人們預測到宇宙中有這種星球，并且還給它們取好了名字，但真正發現它們卻是數十年以后的事。這得益于紅外望遠鏡觀測技術的提高。1995年，科學家終于發現了第一顆褐矮星——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℃，半徑為太陽半徑的69%，質量為木星質量的20倍至50倍。由于質量太小，這顆星無法維持氫的核聚變，于是成了一顆褐矮星。

格利澤229B的發現本該是天文學中的一個大事件，但由于1995年發生了更大的天文事件，那就是人類發現了首顆系外行星，這件事搶奪了天文學家的所有視線，褐矮星便被人們冷落了。

是恒星還是行星

對專注于褐矮星的科學家來說，格利澤229B是非常誘人的。科學家發現，盡管格利澤229B是一顆恒星，卻擁有行星的大氣。這一發現激發了科學家極大的興趣。

之后，越來越多的褐矮星被發現，至今人們已發現了1200多顆褐矮星。隨著人們對這種星球的了解逐漸增多，有關它們的疑問和爭論也越來越多了。

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是很清晰的，但褐矮星的出現卻使這個問題變得復雜起來，因為它們經常表現得很像行星。美國自然歷史博物館的本·奧本海默是發現格利澤229B的科學家之一，他說：“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。”但奧本海默也承認，格利澤229B并不是一顆氣態巨行星，它應該還是一顆恒星。英國赫特福德大學的本·伯寧罕則說：“褐矮星究竟是行星還是恒星，這取決于你問的是什么問題。”

褐矮星的確具有恒星的特質，例如它們形成于星際氣體云的坍塌，擁有恒星的磁斑，有些還會像脈沖星那樣發出射電輻射；它們的密度也足夠高，可以聚變數量有限的氘，能產生暗弱的紅外輻射等。但另一方面，它們又持續冷卻，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。科學家在距離地球40光年遠的地方發現了一顆褐矮星，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。科學家用最先進的望遠鏡，甚至發現了表面溫度只有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，尤其是那些氣態巨行星。例如，它們會擁有一個充滿一氧化碳、硫化氫、水，或者甲烷和氨的大氣。這層大氣翻騰著，流動著，形成各自奇妙、異常的天氣系統，給科學家提供了了解宇宙中星球大氣活動規律的機會，人們對褐矮星的探測也從尋找更多褐矮星向觀測褐矮星的更多細節轉變。研究表明，褐矮星內部的熱量會促使氣流上升，從而凝結成云，這和行星上的大氣活動十分相似。人們還注意到，褐矮星上的大氣活動非常猛烈。多倫多大學的天文學家在觀測一顆褐矮星時發現，這顆星平均每8小時就會發生大范圍的明暗變化，這說明在其上很可能存在不均勻的云層，而且一場類似于木星大紅斑的風暴正在發生，但它的規模遠遠超過木星大紅斑。研究系外天氣系統的絕妙范本科學家發現，那些大氣溫度很高的褐矮星擁有氣態的鐵和硅酸鹽，這些鐵和硅酸鹽會隨著高度的上升、溫度的下降而凝結，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，而那些沙粒也終會變成硅酸鹽“雪花”，在空中飛舞。美國航空航天局艾姆斯研究中心的馬克·馬利說，褐矮星上的這種情形“與地球上的水循環非常相似”。

于是，褐矮星便成了我們詳細研究太陽系外天氣系統的絕妙“范本”。系外行星很難觀測，它們過于暗淡，很難獲得它們的光譜，除非用非常大的望遠鏡，還要想辦法去掉星光的影響。用褐矮星來研究天氣現象就容易多了，由于褐矮星和太陽系外的巨行星有極大的相似性，科學家便可以先從褐矮星入手了解星球天氣系統的特點，從而讓我們對系外行星的氣候有所認識，還可以幫助我們發展探測系外行星天氣系統所需要的技術。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的多樣性。天文學家推測，到了我們能夠很好地觀測系外行星的時候，我們對這樣的多樣性將體會得更多。

例如，有些系外行星始終把一面朝向它們的“太陽”，而褐矮星也有這樣的情況。科學家研究了一些由白矮星和褐矮星組成的雙星系統，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。科學家感興趣的是，在這種情況下，星球真的只有一面會被加熱嗎？星球上的風會不會將熱量輸送到背向輻射源的另一面呢？這類問題的答案至關重要，它會幫助人們更準確地了解系外行星上的天氣情況。

褐矮星周圍有行星嗎？

2013年7月，科學家發現了一顆繞褐矮星公轉的行星，它的質量大約是木星的2倍。顯然，這是一顆氣態巨行星。但科學家認為，褐矮星周圍極有可能存在較小的巖石行星，而生命，就有可能出現在這種繞褐矮星運行的巖石行星上。

天文學家將尋找這些環繞褐矮星運行的行星，希望能夠發現可維持生命存在的星球。這種行星應該離褐矮星非常近，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，所以為科學家研究它們提供了更多的機會。因為它們在1地球年的時間里可以出現50次掩星，這有利于科學家更加有效地研究行星上的大氣層。從某種意義上說，這相當于50年的研究。

那么，褐矮星究竟是什么星呢？這個問題我們依然不好回答。有科學家認為，由于它們是獨特的，所以再爭論它們是行星還是恒星已經沒有必要了，它們看上去是可以“自立門戶”的一種天體。endprint