褐矮星：失败的恒星

张唯诚

1962年，美国航空航天局戈达德研究所的科学家谢夫·库马尔开始琢磨这样一个问题：一颗恒星究竟可以小到什么程度，他的计算表明，当恒星小到一定程度时，它们的质量便不足以启动和维持氢的核聚变，从而无法成为一颗合格的恒星。通常情况下，如果恒星的质量达到13个木星的质量，就可以燃烧氘，但氘所释放的能量十分微弱，所以这类恒星燃烧的时间往往很短，只是一颗“失败的恒星”。

被冷落的“小不点”

库马尔把这种“失败的恒星”称为“黑矮星”。但由于“黑矮星”已被用来称呼一种抵达了生命终点且已停止发光发热的恒星，所以人们觉得“黑矮星”这个名字不合适，应该给它们重新取一个名字，例如“恒行星”“流产恒星”或者“亚恒星”等。最后，美国天文学家吉尔·塔特确定了“褐矮星”这个名字，但这个名字也并非名副其实，只是为了便于区别。事实上，假如用肉眼去看，褐矮星并不是褐色的，如果你乘宇宙飞船接近褐矮星，可能完全看不到它，因为它发出的可见光非常少。如果能靠得很近，你才有可能看到某些区域发出的微弱光线，因为那里的温度相对高一些。不过，那些光也不是褐色的，它极有可能是一种很深的橙色。

由于褐矮星的辐射非常微弱，所以尽管当时人们预测到宇宙中有这种星球，并且还给它们取好了名字，但真正发现它们却是数十年以后的事。这得益于红外望远镜观测技术的提高。1995年，科学家终于发现了第一颗褐矮星——格利泽229B。

格利泽229B处于天兔座，距地球19光年，表面温度约680℃，半径为太阳半径的69%，质量为木星质量的20倍至50倍。由于质量太小，这颗星无法维持氢的核聚变，于是成了一颗褐矮星。

格利泽229B的发现本该是天文学中的一个大事件，但由于1995年发生了更大的天文事件，那就是人类发现了首颗系外行星，这件事抢夺了天文学家的所有视线，褐矮星便被人们冷落了。

是恒星还是行星

对专注于褐矮星的科学家来说，格利泽229B是非常诱人的。科学家发现，尽管格利泽229B是一颗恒星，却拥有行星的大气。这一发现激发了科学家极大的兴趣。

之后，越来越多的褐矮星被发现，至今人们已发现了1200多颗褐矮星。随着人们对这种星球的了解逐渐增多，有关它们的疑问和争论也越来越多了。

首先，褐矮星究竟是恒星还是行星？恒星和行星之间的界线本来是很清晰的，但褐矮星的出现却使这个问题变得复杂起来，因为它们经常表现得很像行星。美国自然历史博物馆的本·奥本海默是发现格利泽229B的科学家之一，他说：“很显然，格利泽229B是极为不同的……除了它的光度和光谱外，还有甲烷，唯一和它相似的就是木星。”但奥本海默也承认，格利泽229B并不是一颗气态巨行星，它应该还是一颗恒星。英国赫特福德大学的本·伯宁罕则说：“褐矮星究竟是行星还是恒星，这取决于你问的是什么问题。”

褐矮星的确具有恒星的特质，例如它们形成于星际气体云的坍塌，拥有恒星的磁斑，有些还会像脉冲星那样发出射电辐射；它们的密度也足够高，可以聚变数量有限的氘，能产生暗弱的红外辐射等。但另一方面，它们又持续冷却，因此它们的温度非常低，有些褐矮星的表面温度甚至比行星还要低。科学家在距离地球40光年远的地方发现了一颗褐矮星，其表面温度为350℃，与水星赤道表面的温度相近，比金星表面的温度低。科学家用最先进的望远镜，甚至发现了表面温度只有30℃的褐矮星。假若把褐矮星定位于恒星，这样的低温实在是太不可思议了。

由于温度低，一些褐矮星看上去更具行星的特征，尤其是那些气态巨行星。例如，它们会拥有一个充满一氧化碳、硫化氢、水，或者甲烷和氨的大气。这层大气翻腾着，流动着，形成各自奇妙、异常的天气系统，给科学家提供了了解宇宙中星球大气活动规律的机会，人们对褐矮星的探测也从寻找更多褐矮星向观测褐矮星的更多细节转变。研究表明，褐矮星内部的热量会促使气流上升，从而凝结成云，这和行星上的大气活动十分相似。人们还注意到，褐矮星上的大气活动非常猛烈。多伦多大学的天文学家在观测一颗褐矮星时发现，这颗星平均每8小时就会发生大范围的明暗变化，这说明在其上很可能存在不均匀的云层，而且一场类似于木星大红斑的风暴正在发生，但它的规模远远超过木星大红斑。研究系外天气系统的绝妙范本科学家发现，那些大气温度很高的褐矮星拥有气态的铁和硅酸盐，这些铁和硅酸盐会随着高度的上升、温度的下降而凝结，并最终变成雨。想象一下，熔化的铁雨在由炽热沙粒组成的、打着旋的云层中倾泻而下，而那些沙粒也终会变成硅酸盐“雪花”，在空中飞舞。美国航空航天局艾姆斯研究中心的马克·马利说，褐矮星上的这种情形“与地球上的水循环非常相似”。

于是，褐矮星便成了我们详细研究太阳系外天气系统的绝妙“范本”。系外行星很难观测，它们过于暗淡，很难获得它们的光谱，除非用非常大的望远镜，还要想办法去掉星光的影响。用褐矮星来研究天气现象就容易多了，由于褐矮星和太阳系外的巨行星有极大的相似性，科学家便可以先从褐矮星入手了解星球天气系统的特点，从而让我们对系外行星的气候有所认识，还可以帮助我们发展探测系外行星天气系统所需要的技术。尽管褐矮星与系外行星不同，但它们可以让我们了解星球上天气系统的多样性。天文学家推测，到了我们能够很好地观测系外行星的时候，我们对这样的多样性将体会得更多。

例如，有些系外行星始终把一面朝向它们的“太阳”，而褐矮星也有这样的情况。科学家研究了一些由白矮星和褐矮星组成的双星系统，其中的褐矮星便始终以一面朝向白矮星，就像月亮总以一面朝向地球一样。科学家感兴趣的是，在这种情况下，星球真的只有一面会被加热吗？星球上的风会不会将热量输送到背向辐射源的另一面呢？这类问题的答案至关重要，它会帮助人们更准确地了解系外行星上的天气情况。

褐矮星周围有行星吗？

2013年7月，科学家发现了一颗绕褐矮星公转的行星，它的质量大约是木星的2倍。显然，这是一颗气态巨行星。但科学家认为，褐矮星周围极有可能存在较小的岩石行星，而生命，就有可能出现在这种绕褐矮星运行的岩石行星上。

天文学家将寻找这些环绕褐矮星运行的行星，希望能够发现可维持生命存在的星球。这种行星应该离褐矮星非常近，否则褐矮星微弱的温度便不足以温暖它们。在这样的行星上，地球上的1年有可能是它们的50年，所以为科学家研究它们提供了更多的机会。因为它们在1地球年的时间里可以出现50次掩星，这有利于科学家更加有效地研究行星上的大气层。从某种意义上说，这相当于50年的研究。

那么，褐矮星究竟是什么星呢？这个问题我们依然不好回答。有科学家认为，由于它们是独特的，所以再争论它们是行星还是恒星已经没有必要了，它们看上去是可以“自立门户”的一种天体。endprint