褐矮星的世界

文/张唯诚

褐矮星被认为是“失败的恒星”

宇宙中有大量恒星，我们仅凭肉眼是看不见的，因为它们很暗淡。例如，红矮星和褐矮星就属于这样的恒星。这两种恒星的质量都远低于太阳，温度很低，释放的能量很弱，因此很暗淡。但相较而言，褐矮星更暗淡，因为它们的质量更小，以至于无法维持氢的核聚变反应，所以天文学家们常称褐矮星为“失败的恒星”。

人们很早就预测了褐矮星的存在，但真正发现它们则是在1995 年，这得益于红外望远镜观测技术的提高。

第一颗被发现的褐矮星位于天兔座，距地球19光年，表面温度约680℃，半径相当于太阳半径的69%，其质量为木星质量的20 ～50 倍。

虽说褐矮星是“失败的恒星”，但人们基本上还是承认它们具有恒星的特质，因为它们也形成于星际云的坍塌，密度足够高，可以聚变数量有限的氘，能产生暗弱的红外辐射，拥有恒星常有的磁斑，有些还会像脉冲星一样发出射电辐射，等等。

但另一方面，它们又一直在渐渐冷却，因此温度很低，有些褐矮星上的表面温度甚至比行星还要低。科学家在距离地球40光年的地方发现了一颗褐矮星，它的表面温度为350℃，与水星赤道表面的温度相近，但比金星表面温度低。一些科学家认为，褐矮星体积很小，温度又太低，这使它们不像恒星，而更像行星，尤其与那些气态巨行星十分相像。

通常，气态巨行星拥有剧烈的天气现象。例如木星，它有浓密的大气，其气候系统是一个几乎没有止境的大循环，那里的风暴会不断地发展壮大，然后减弱消失并孕育下一轮新的风暴。在太阳系之外，活跃的天气现象也被认为存在于一些运行在宜居带中的系外行星上，它们的大气中被认为含有水蒸气并能形成云，合适的压力和温度使液态水得以形成，因此在这种行星的大气中还会有降雨的发生。

然而，行星上的这些天气现象不好观测，尤其是系外行星，它们太远又太小，而天文学家们发现，观测褐矮星是研究星球大气活动的好方法。

奇妙的“沙云”

研究表明，褐矮星上的大气活动非常猛烈。例如，它们会拥有一层充满一氧化碳、硫化氢、水，或者甲烷和氨的大气。这层大气翻腾着、流动着，形成奇妙异常的天气现象。它内部的热量会导致气流上升从而凝结成云，这种云是天文学家们唯一观测到的太阳系之外的云。早在2004 年，斯皮策太空望远镜就在褐矮星上发现了沙云的光谱特征。于是，天文学家们便想到是由炽热的沙粒组成了这个云层。2006 年和2008 年，天文学家们发现了更多类似的例子。美国图森市亚利桑那大学的行星科学家马克·马利曾参与了其中一个发现的研究。他对此描述道：“飘浮在这种云中，你的感觉会和在沙尘暴中一样。如果你带一勺沙子回家，你会觉得它们很热。”

2009 年，由于斯皮策太空望远镜的冷却剂耗尽，它已无法再被用来测量褐矮星云团的化学成分了，所以这项工作停了下来。然而，一些保留下来的观测数据依然很有价值。最近，加拿大伦敦西安大略大学的天文学家赫纳罗·苏亚雷斯和他的研究团队研究了一些没有被发表和分析的数据，它们来自斯皮策太空望远镜对113 个天体的观测，其中68 个天体的数据从未被发表过。这些科学家发现，并非每颗褐矮星都显示了强烈的硅酸盐云迹象，但合在一起，它们遵循了一个明显的趋势：当温度降至1700℃时，硅酸盐以蒸汽的形式存在，且没有云的迹象；但低于这个温度后，云层的迹象就开始出现，至1300℃左右时变得最为明显。

褐矮星的云团由沙组成，大气和云的形态在其一生中会不断变化

研究星球天气现象的捷径

研究表明，由热硅酸盐矿物组成的云在褐矮星中很常见。由于褐矮星在诞生之初温度很高，但随着时间的推移会逐渐变冷，它们中的大多数就应该遵循上述的发展模式，并随着年岁的增长显示沙云演化的每个阶段。科学家们在2022 年的《皇家天文学会7 月月报》上报道了他们的最新发现。苏亚雷斯认为：“我们正在了解褐矮星在宇宙中存在的机理。”他指出，将来人们可以通过对褐矮星的研究，更好地了解行星大气活动的奥秘。

通常情况下，观测行星，尤其是系外行星的大气活动是很困难的，它们过于暗淡，很难获得光谱，除非使用超大型的望远镜，同时还要想办法去除星光的影响。然而，用褐矮星来研究天气现象就容易得多了。由于褐矮星和巨行星拥有极大的相似性，科学家们可以先观察褐矮星以了解星球天气系统的特点，从而加深对系外行星天气现象的认识，帮助人们发展探测系外行星天气系统所需要的技术。褐矮星为科学家们研究宇宙中行星上的天气现象提供了一条便捷的途径。因此，人们对褐矮星的探测也从过去寻找更多褐矮星向着观测褐矮星更多细节的方面发生了转变。

例如，有些系外行星始终把一面朝向它们的“太阳”，而褐矮星也有类似的情况。科学家们研究了一些由白矮星和褐矮星组成的双星系统，其中的褐矮星始终以一面朝着白矮星，就像月亮总以一面朝向地球一样。对此，科学家们感兴趣的是，在这种情况下，这类星球真的只有一半会被加热吗？星球上的风会不会将热量输送到背向辐射源的另一个半球上去呢？找到这类问题的答案非常重要，它会帮助科学家们更准确地了解星球天气现象的活动规律。

最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜也将参与到研究系外行星和褐矮星的大气活动的观测中来，这将进一步推动人们对星球大气活动的研究，加深人们对星球天气现象的认识。