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?卡斯爾登（Dan Caselden）熬夜玩《反恐精英》這款游戲時，創造了天文學界的歷史。每當他的游戲角色“死亡”時，他都會登入筆記本電腦，查看運行中的 NASA 太空望遠鏡圖像的自動搜索情況。

突然，在凌晨時分，視野中出現了一個奇怪的物體。“這太令人困惑了，”卡斯爾登說道，“這顆幽暗的星體移動速度極快，比我過去發現的任何星體都快，甚是奇怪。”

卡斯爾登向參與“后院世界：第九行星”（Backyard Worlds: Planet 9）項目的天文學家們發送了電子郵件。在排除了這是圖像偽影的可能性后，天文學家們意識到，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特，發現過程又純屬偶然，因此該星體很快就獲得了“意外”這個綽號。

現在，天文學家們認為，卡斯爾登發現的是一顆褐矮星，一顆由于質量不足以引發核聚變，因此未能成為恒星的星體。“這顆星體的形成過程和恒星一樣，”英國萊斯特大學的天文學家莎拉?凱斯威爾（Sarah Casewell）如是說，“然而，這顆星體由于質量不足，所以從未能夠將氫聚變成氦來燃燒。”

這顆名為“意外”的褐矮星的發現，揭露了我們對褐矮星認識的不足。褐矮星的質量范圍約為木星質量的 13 倍到 75 倍，甚至更大。然而，褐矮星質量范圍的兩端具體的極值是多少，仍是一個懸而未決的問題。“大家總是開會爭論這個問題，”英國愛丁堡大學的天文學家貝絲?比勒（Beth Biller）如是說。科學家們尤其糾結褐矮星的質量下限，并就此爭論不休。雖然達到 13 倍的木星質量就有了發生氘聚變的條件，而氘聚變是區分褐矮星和氣態巨行星的特征，但該質量邊界可能會有所變化。比勒表示：“13 個木星質量并無特殊含義，該數值完全是為了方便而設定的。”

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。由于缺乏內部熱源，褐矮星將在數十億年內逐漸冷卻，直到降到較低的溫度。（亞矮星進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。“這是已知的太陽系外最冷的天體，”比勒說道。）

人們仍不清楚褐矮星在近距離下的外觀。盡管“褐矮星”這個名稱是于 1975 年，由天文學家吉爾?塔特爾（Jill Tarter）命名的，但該天體很可能并非褐色。其真實顏色更偏橙色或紅色。“無論如何，褐矮星這個名稱已經定下來了，”加州理工學院的天文學家戴維?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狀的風暴。去年，比勒和她的同事利用褐矮星大氣層上的風暴，測量了一顆距離地球約 34 光年開外的褐矮星的表面風速。團隊首先觀察到：褐矮星大氣層中的特征隨著褐矮星的旋轉而浮現又消失。然后，研究人員將這一速度與通過磁場測量得到的褐矮星內部旋轉速度作比較。通過比較這兩個數值，研究人員計算出，該褐矮星表面的風速超過每小時 2300 公里 —— 是木星風速的五倍以上。

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系。在質量范圍的上限處，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。瑞士日內瓦大學的諾蘭?格里夫斯（Nolan Grieves）表示，只有一個天體的核心達到大約 300 萬攝氏度時，才能引發核聚變，從而引發鏈式反應，將氫轉化為氦。但是，沒有人知道，確切的需要多少質量才能引發核聚變；也無人知曉，褐矮星是在何時變成恒星的。“對于有關恒星演化的諸多方面的知識，我們仍然相當不確定，”比勒說道，“引發核聚變的最小質量值到底是多少，這是一個問題。”

最近，由格里夫斯領導的研究小組發現了五顆大質量褐矮星，其質量在木星的 77 到 98 倍之間。“這些褐矮星的質量恰好處于氫聚變開始發生的邊界質量值，”格里夫斯說道。然而，目前尚不清楚這五顆褐矮星的質量究竟是位于質量界限之上還是之下。“我們對這些天體的真實性質一無所知，”格里夫斯表示，“因為它們的質量非常接近極值。”

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，有些褐矮星系統中似乎存在環繞褐矮星運行的原行星盤，”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的外行星。一個如圣杯般神圣的目標是去找到一顆存在‘外行星凌日’現象的褐矮星。”

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

這顆名為“意外”的褐矮星似乎也是由一些奇怪的物質構成的。隨著宇宙年齡增長，超新星會噴射出大量的重元素，如碳和氧 —— 天文學家稱之為“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”是在太陽系附近發現的 —— 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，”柯克帕特里克說道。凱斯韋爾補充說，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，然后向內遷移，到達如今的位置。

正如宇宙中諸多其他現象一樣，這一發現表明，這些既難以捉摸又神秘莫測的天體有著各種各樣的特征，因此，將這些天體劃分到嚴格定義的某一類別絕非易事。與此同時，卡斯爾登希望在未來能為該領域做出更多貢獻。也許現在，當他確定了探尋目標之后，他能錨定類似的天體進行研究。“我想找到另一顆類似‘意外’的褐矮星，”他說，“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

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

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總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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