褐矮星

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褐矮星(brown dwarf)是构成类似恒星,但质量不够大,不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。其质量在恒星与行星之间。褐矮星是质量介于最小恒星与最大行星之间的天体,由于这一原因褐矮星非常黯淡,要发现它们十分复杂,因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星,在确定它们围绕共同重心运行的参数之后,计算出这两颗褐矮星的重量和大小。
中文名
褐矮星
外文名
brown dwarf
特 点
质量介于恒星与行星之间的天体
表面温度
不会超过3000K
发现时间
1995年

研究历史 编辑

褐矮星 褐矮星
天文学家花了12年研究才发现这两颗褐矮星,总共观察了300多个夜晚和进行了1600次测量,结果计算出两颗相当年轻褐矮星(还不满100万年)全部必需的参数,它们位于离开地球1500光年猎户星座双星系统中较大一颗褐矮星质量超过木星50倍,而较小一颗褐矮星质量比木星大30倍,它们的直径分别为太阳直径的70%和50%。尽管它们初看起来不算矮小,但是它们的质量分别仅为太阳质量的5.5%和3.5%。天文学家还意外发现较轻褐矮星表面的温度更高些,虽然“普通”恒星的情形相反:恒星质量越大,它就越炽热。或许,引起这反常现象的原因在于某种物理作用过程,现代恒星结构理论没有考虑到这种物理作用过程(比如恒星的强烈磁场)。
褐矮星 褐矮星
此外,这两颗褐矮星可能不是同时形成,也不是在同一地点形成,而是由于某种灾变而结合在一起,因此它们的表面温度不同,但是这一切暂时仍只是一种假设。美国科学家利用美国宇航局的斯皮策红外线太空望远镜,发现了一颗环绕恒星作轨道运行的小型褐矮星(browndwarfstar),并直接获得了它的图像。他们表示,这是人类首次发现此种情景,但这种现象并不孤立。 研究报告的第一作者、美国宾州大学天文学和天体物理学系助理教授凯文·鲁荷曼说,在过去10年多的时间内,采用直接探测的方法,天文学家极其成功地寻找到了那些靠近恒星的行星。借助斯皮策红外线太空望远镜的红外探测能力,人们可以直接探测行星系外的温度极低的褐矮星(也称T矮星),甚至探测到大行星。这颗被发现的T矮星名为HD3651B,位于双鱼座,其质量是木星的50倍。
褐矮星 褐矮星
被其环绕的恒星其质量小于太阳,它的附近还有一颗质量略小于土星的行星。该行星的轨道呈极扁平椭圆形,科学家认为它具有如此轨道的原因是在外围作轨道运行的HD3651B的引力。过去,人们发现太阳系外的行星具有极扁平的轨道,并提出了隐藏在行星系中的其他天体(如T矮星)导致行星轨道呈现极端现象的理论。斯皮策红外线太空望远镜此次发现首次为该理论提供了证据。
研究人员表示,在发现HD3651B后,他们又接二连三地发现了其他T矮星。如在飞马座发现了HNPegB,它的质量为木星的20倍。同该星座中其他年龄达数十亿年的老褐矮星相比,这颗T矮星相当年轻,只有约3亿岁。

失败恒星 编辑

褐矮星被称为“失败的恒星”,它由于质量不足无法成为燃烧的恒星,但其质量仍远大于太阳系最大的行星木星。天文学家在这些古怪的星球上发现了巨大的类似行星的风暴,这种风暴足以与木星上的大红
褐矮星 褐矮星
斑风暴媲美。由于褐矮星会随时间的推移冷却下来,该星球上气态的铁分子就会浓缩成液态的铁云和铁雨。随着进一步的冷却,巨大的风暴就会扫过这些云层,让明亮的红外线逃逸到宇宙中。
低质量恒星的观测和研究是这十年来恒星领域研究热点之一,褐矮星是其中最主要的一族,它们不属于恒星,也不属于行星,而是介于两者之间的天体.褐矮星的研究使我们对恒星与行星的本质有了更深刻的认识,并发现了延伸到主序下部更冷的L型和T型.褐矮星在银河系里数量可与主序星相比,但不是宇宙暗物质的主要成分.褐矮星的形成可能既不同于恒星也不同于行星,对它们形成的研究可以更透彻地理解恒星及行星的形成。
十几年前,褐矮星还仅仅是天文学教科书中停留在理论上的天体,那时甚至还不知道这种质量介于巨行星和最低温矮星之间的天体是否存在。而今天,我们所面临的问题是如何来区分这些低质量天体。在《天体物理学报》上,麦克雷(McLean)等人提出了基于褐矮星近红外光谱的统一分类方法。这一分类方法同时也提供了有关褐矮星的化学信息。

天文数据 编辑

表面温度

由于没有核聚变,褐矮星的表面温度不会超过3000K。褐矮星的温度越低,它的可见光波段的亮度就越小。M型矮星的辐射主要集中在红光波段(大约0.75μm),而温度更低的L型褐矮星(温度为1200-2000K)和T型褐矮星(温度为800-1200K)的辐射则主要集中在近红外波段(1-2μm),这使得褐矮星从本质上就会变得很暗弱。另外,褐矮星外层大气中的分子,例如水、一氧化碳、甲烷和氨,会吸收向外的辐射,使得褐矮星进一步变暗。这些因素使得寻找褐矮星成为了天文观测的一大挑战。

大气

3月27日消息,据国外媒体报道,天文学家利用美国宇航局的斯皮策哈勃太空望远镜探测一颗褐矮星外狂暴的大气层,以创建这一类恒星天体周围详细的“气象图”。
根据来自亚利桑那大学的主要研究人员丹尼尔-奥保伊称,和恒星类似,褐矮星是由高浓度气体构成的,但由于其本身的质量不足,无法像恒星那样完成氢的核聚变并产生能量。然而,这类通常被称为“失败恒星”的天体却与气体行星有着更为类似的复杂的大气层。
此项新研究不仅会让我们更好的理解褐矮星,同时也会让我们更加了解太阳系之外行星的大气层。
事实上,研究人员把哈勃和斯皮策两台望远镜同时对准一个被命名为2MASSJ22282889-431026的褐矮星。他们发现该褐矮星发出的光因时间而变化,随着自身的转动,该星体每90秒完成一次明暗的变化。而更令人惊奇的是,研究人员认为其亮度变化的时机取决于用于观测的红外光的波长。
这些变化显然是褐矮星外围不同大气层中物质成分不同导致的。可以肯定的是,斯皮策和哈勃观测到不同的大气层是因为一些特定波长的红外线被水蒸气和高浓度的甲烷阻塞,而其他波长的红外线却从更深的大气层发出。
NASA阿姆斯研究中心的科学家马克-马莱利(Mark Marley)解释称,与地球的水蒸气云和木星的氨水云不同,褐矮星的云主要由热沙粒、铁水以及其他不常见的混合物组成。

光谱

尽管褐矮星的光谱存在着复杂性,但是化学组成仍然是可以被识别出来的,而且也可以用来对褐矮星进行分类。如今还没有直接观测到比T8型褐矮星质量更小,温度比T8型褐矮星(有效温度大约为800K)更低的天体,来衔接褐矮星和木星(大约125K)。但是,业已升空的"斯皮泽"空间望远镜所具有的中红外观测能力也许能帮助我们找到这缺失的一环。

发现过程 编辑

1995年发现了第一颗褐矮星Gl229 B。它比起红色的M型矮星(温度最低,质量最小的恒星)来更像
褐矮星 褐矮星
是巨行星,亚恒星天体的特征十分明显。90年代后期,得益于大范围的红外巡天发现了大量的褐矮星。

分类 编辑

褐矮星又可以再分成两类:L型和T型。L型褐矮星在光谱上比起巨行星更接近M型矮星,它包括了质量最小的恒星和质量最大的亚恒星天体。T型褐矮星则具有更类似于巨行星的光谱,但是质量则要比巨行星大得多。同时根据光谱中一些与温度有关的特征,褐矮星又可以从0(最高温)到8(最低温)分成9个亚类。已知的L型褐矮星大约有250颗,T型褐矮星大约有50颗。
最早,L型褐矮星的进一步分类是按照可见光的红光光谱进行的,而T型褐矮星的细分则依赖于近红外光谱。麦克雷等人使用凯克望远镜Ⅱ上的近红外分光仪对大约50颗左右的褐矮星进行了分析,提出了对L型褐矮星和T型褐矮星的统一分类方法。他们使用高质量的近红外光谱,通过比较
褐矮星 褐矮星
Na、K、Ca、Al和Mg原子谱线的相对强弱以及水、一氧化碳、甲烷和FeH的谱带对褐矮星进行了分类。这一观测为L型褐矮星和T型褐矮星的光谱分类建立了一个框架。
由于褐矮星自身的小尺度(大小与木星相当)和低质量增加了探测褐矮星的难度,因此这些观测本身代表了很大的进步。褐矮星的质量最高只能达到太阳的7%(作为比较木星的质量是太阳的大约0.1%),还不足以启动和维持氢核聚变而成为恒星。如果褐矮星的质量超过13个木星质量就可以燃烧氘,但是氘燃 烧所释放的能量和氢比起来微乎其微,而且对于质量最大的褐矮星来说氘燃烧的时间也不会超过1亿年。与之形成对比的是,在恒星中氢燃烧的时间可以持续几十亿年。褐矮星一生中所释放的能量绝大部分是其形成和收缩时所释放的引力能,同时褐矮星也终将会变冷而老去。

形成机制 编辑

关于褐矮星形成的机制天文学家们众说纷纭,比较常见的有抛射理论、前恒星核的光致侵蚀理论、不透明度制约的分裂理论、原恒星盘的不稳定性理论等。抛射理论认为,褐矮星是由于低质量的原恒星胚在还没有达到产生氢核聚变所需的质量前,与其它天体发生了碰撞而被抛射出前恒星核所形成的,这一理论部分地得到了双褐矮星系统的证实。前恒星核的光致侵蚀理论基于大质量恒星的辐射对前恒星核的光致侵蚀作用,能够解释处于电离氢区中的褐矮星的形成机制。褐矮星也可能由大质量的原恒星盘在其它恒星的引力作用下发生碎裂而产生。这些理论每个都只能解释部分褐矮星的形成,研究褐矮星周围的恒星盘可以有效地检验上述理论。
褐矮星是可以发生热核反应的,只是由于不激烈所以不会发光。但其红外辐射可以占到太阳的1~2‰左右,过于靠近它也有热能。

著名矮星 编辑

Y矮星CFBDS0059
科学家在距离地球40光年的位置发现一颗暗淡、孤立的虚弱星体,这颗褐矮星的质量是木星的15-30倍,表面温度为350摄氏度,与水星赤道表面温度相近,比金星表面温度更低。这项发现引起了科学家的极大兴趣,其原因是这种星体将大行星从小型恒星中划分出来,从理论领域上将其命名为新的恒星类型——“Y矮星”。加拿大-法国夏威夷望远镜恒星研究员洛西·艾伯特说,“这是介于恒星与行星之间最后的光谱类型。”他参与该研究小组将鉴别了这颗新发现的冷褐矮星,将其命名为“CFBDS0059”。该研究报告发表在近期出版的《天文学和天体物理学》杂志上。[1]
艾伯特称,由于Y矮星生来暗淡,因此非常难以发现并鉴别。事实上没有人在断然识别Y矮星方面取得明显成功。人类肉眼是看不到这种星体的,即使使用天文望远镜也无法观测到。这是因为其表面温度不高,不足以发出红色光线,类似于电炉丝的加热效应。然而,在这种温和的温度下,Y矮星却释放出红外线。因此,天文学家通过加拿大-法国夏威夷望远镜、“双子座”望远镜和欧洲南方天文台NTT望远镜的近红外线和红外线仪器对CFBDS0059进行了鉴别和研究。
艾伯特解释称,证实CFBDS0059或其他冷褐矮星是否是Y矮星的关键依据是大气层中是否存在氨。为了探测大气层是否有氨,需要收集大量的红外光线,分离其光谱观测氨气吸收光线所形成的暗线条。他在接受《探索频道》记者采访时说,“我们发现CFBDS0059大气层中有吸收氨的迹象。”研究人员对其他褐矮星分析显示它们很少属于Y矮星。美国麻省理工学院亚当·伯加塞说,“这种方法的确可以鉴别Y矮星的存在。”目褐矮星划分为两类:L矮星和T矮星,两者之间的差别很微妙。L矮星表面温度更高一些,达到1200-2000摄氏度;T矮星表面温度为1200摄氏度,其大气层中富含甲烷气体。[1]
在Y矮星温和温度下,浓缩成为水汽滴;在褐矮星大气层中,水通常以气态形式存在;然而巨大行星却将水浓缩为冰水形式,因此这种温度较低水以水汽滴形式存在的Y矮星有望将最炽热恒星至巨大行星之间的过渡星体次序连接成来,这对于研究太阳系外行星同样具有深远意义。
褐矮星WISE J085510.83-071442.5
2014年4月,美国宇航局借助广域红外望远镜(WISE)和斯皮策空间望远镜,确定发现一颗已知温度最低的褐矮星——一颗类似恒星的暗弱星体,但其温度却低的出人意料,几乎和地球上的北极一样寒冷。
空间望远镜的观测数据同时测定器距离约为7.2光年,从而使其成为迄今
褐矮星WISE J085510.83-071442.5位置 褐矮星WISE J085510.83-071442.5位置
已知距离太阳第四近的天体系统。迄今已知距离太阳最近的天体系统是一个三合星系统半人马座α,其距离约为4光年。
美国宾州大学系外行星与宜居带研究中心的天文学家凯文·鲁曼(Kevin Luhman)表示:“能够发现一个距离我们如此之近的邻居实在令人兴奋。而考虑到它极端的温度,它应当能告诉我们很多有关行星大气方面的信息,后者通常都拥有温度很低的大气层环境。”
这颗最新发现的褐矮星编号为WISE J085510.83-071442.5。其温度约为-48~-13摄氏度。此前观测到温度最低的褐矮星同样是经由WISE和斯皮策望远镜的数据发现的,其温度约为室温水平。
WISE J085510.83-071442.5的质量约为木星的3~10倍。质量如此之小,这颗星球很可能是被它原先所在的行星系踢出来的类似木星的巨行星。但科学家们认为这应当是一颗褐矮星,因为褐矮星相当常见。如果这是事实,那么这也将是迄今所知质量最小的褐矮星。
2013年3月份,鲁曼对WISE望远镜数据的分析还发现了另外两颗温度高得多的褐矮星,距离约6.5光年,从而使它们成为距离太阳第三近的天体系统。这些快速运动褐矮星的发现也暗示,长久以来认为在外太阳系存在的一颗“隐藏的大行星”,或“行星X”很有可能并不存在。[2]

探索发现 编辑

美国航空航天局网站的报道称,该局所属的广域红外巡天探测器(WISE)发现了一对距离非常近的恒星,它们将成为迄今发现的距离太阳系第三近的恒星/恒星系统,这星也是人类自1916年以来发现的距离太阳系最近的恒星系统。这一双星系统中的两颗恒星都是褐矮星
凯文·鲁曼(Kevin Luhman)是美国宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学教授,并在该校系外行星与宜居世界研究中心担任研究员。他说:“这对褐矮星双星到地球的距离仅有6.5光年。这样的距离太近了,以至于地球上2006年时播出的电视节目信号现在已经传播到了那里。……这是一个绝佳的搜寻行星的地方,因为它们的距离实在太近了。这样我们就有很好的机会来看看是否有任何行星围绕其中任何一颗褐矮星运行。”
这一双星系统已经被正式编号为WISE J104915.57-531906,之所以前面会带有WISE是因为这一双星系统是在由WISE获取的数据制作的红外巡天图上被发现的。这一双星的距离仅仅比排名第二的巴纳德星稍远一些,后者在1916年被发现时距离太阳系大约6光年远。
而距离我们最近的恒星系统则是半人马座α,它于1839年被确认距离仅有4.4光年。半人马座α是一个三合星系统,包括明亮的半人马座αA以及半人马座αB组成的双星系统,以及距离稍远、非常暗淡的比邻星。然而正是这颗暗淡的比邻星其距离太阳系仅有4.2光年左右,从而使其成为严格意义上来说距离最近的恒星,尽管很多时候会将其作为半人马座α的组成部分对待。
来自加州大学洛杉矶分校的爱德华·怀特(Edward Wright)是WISE探测器项目的首席科学家,他说:“当初提出WISE探测器方案时候的科学目标之一便是搜寻距离太阳最近的恒星。WISE J1049-5319 是目前使用WISE数据找到的距离最近的恒星体。未来使用大型望远镜设备,如地基的双子望远镜以及未来即将发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜对这一双星系统进行观测,将让我们获得更多有关褐矮星的认识。”
WISE探测器在2011年顺利完成其计划中的覆盖整个天空的红外波段巡天,在此期间WISE对整个天空扫描了两遍。根据WISE探测数据制成的巡天星图已经向公众发布,而仍在执行的一个名为“AllWISE”的计划则将会把这两次巡天中获得的数据结合在一起。AllWISE项目将利用WISE的数据对全天进行搜寻,寻找类似WISE J104915.57-531906这样在近距离上因此移动较为迅速的天体,但同时也对遥远宇宙中此前未曾发现过的暗淡天体展开搜寻。所有这些数据都将在2013年对外公布。
美国航空航天局喷气推进实验室负责WISE探测器项目的管理以及运行工作。加州大学洛杉矶分校的爱德华·怀特是本项目的首席科学家。WISE是美国航空航天局“探险者”计划之下实行的一项探测项目,该项目由宇航局戈达德空间飞行中心负责管理。WISE探测器所搭载的科学载荷则由美国犹他州的空间动力实验室研制。探测器本体由科罗拉多州波尔多市的鲍尔宇航技术公司制造。WISE项目的具体科学运作以及数据分发项目由美国加州理工学院红外处理与分析负责进行。
有关此项研究的结果将会发表在《天体物理学通报》上。

发现意义 编辑

据国外媒体报道,宇宙中的褐矮星被认为是失败的恒星,根据一项最新的研究显示,欧洲空间局的科学家们通过射电望远镜探测到一些褐矮星可能存在令人诧异的强大“极光”。我们所知的极光现象是来自太阳的高能带电粒子流与地球的高层大气发生碰撞所致,极光现象一般出现在高纬度的地区,并且可呈现出绚丽多彩的景象。通常情况下,太阳表面发生的日冕物质抛射现象可产生强大的高能粒子,它们抵达地球轨道附近后与地磁场相互作用,并在两极地区形成美丽的极光。
当太阳粒子风暴强度较大时,我们甚至可以在中纬度地区看到极光现象。然而,恒星风粒子在被行星大气吸收之前,也可以产生螺旋式的等离子体,同时辐射出射电信号,科学家认为我们可以探测到这些射电信号的存在。有理由认为,任何一个具有全球性磁场的行星都具有形成极光现象的潜力。对此,天文学家们已经对木星和土星上的极光现象非常熟悉,由于木星的磁场比地球的磁场强了至少100倍以上,因此,对这类巨型气态行星极光的研究有助于探索系外天体的极光现象。
英国莱斯特大学团队认为木星的极光信号可以传播至太阳系之外的星际空间,可以为科学家探索遥远外星世界的极光提供检测途径,其中也包括最小质量恒星褐矮星射电信号的捕捉。研究结果认为太阳系之外的天体也会发生极光现象,释放的射电信号比木星强数十万倍,因此可以在跨星际距离上传播,这为科学家们探测系外天体的极光现象提供了途径。另外,研究系外天体极光,也有助于发现其他恒星系统的宇宙生命和宜居行星。
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