奇异的低温恒星

时间:2022-08-24 03:24:09

奇异的低温恒星

一半是行星,一半是恒星,新发现的一类褐矮星的温度仅仅与地球上的夏日一样高。这不仅对于恒星的定义提出了挑战,更让天文学家们尝试着去打开一片新的视野。

在天空中,暗弱的、木星大小的类恒星天体正在我们头顶上徜徉,它们其实距离并不遥远,但直到最近才被我们发现。这些褐矮星,常被称为“失败的恒星”,它们没有能够成功地演化为真正的恒星。它们不能像正常恒星一样闪闪发光,而注定是阴冷、黑暗的天体。在过去的一年里,得益于NASA的大视场红外巡天探测者望远镜(WISE)和其它天文台的工作,天文学家们才确认了一批以前发现的最寒冷的褐矮星。这些寒冷的、富有神秘色彩的世界,既有低质量恒星的特点,又有气态巨行星的特点,它们有望帮助我们理解这两者的起源。

不知为何,褐矮星形成后的质量不足以维持核聚变。相当于木星质量75倍以上的恒星,才有足够的物质维持将氢聚变成氦的核反应,并以恒定的温度释放能量,持续数百万年至数十亿年。褐矮星无法达到上述状态。它们像正常恒星一样,可以燃烧原子核较重的氢元素(氘)进行热核反应,但是它们消耗氘的速度非常快,所以最终褐矮星只能依靠形成过程中的引力坍缩产生的余热散发出微弱的光芒。由于褐矮星自身没有其它长期的内部能量来源,故而只能在漫长的余生里慢慢地冷却。它辐射出微弱的红外光,很难将其从背景热源(例如地球大气和探测用的望远镜)的红外线中分辨出来。

研究人员首次从理论上提出褐矮星的存在,是在上个世纪60年代,后来认为它们可用来说明相当一部分暗物质。现在我们知道,事实可能并非如此,尽管褐矮星的数量很可能与普通恒星的数量接近。自1995年确认了第一颗之后,到目前已发现了1000多颗褐矮星,其中表面温度最低的仅有300开。由于电子与原子核产生的强大压力,大多数褐矮星都与木星有着大体相同的直径。对于褐矮星而言,增加质量无益于让它更大,只会增加它的密度。

为了给褐矮星分类,天文学家们向下扩展了恒星分类系统——基于恒星的观测光谱和温度,将恒星分为O、B、A、F、G、K和M型。在M型之后又增加了L型矮星(尽管M型中包含了最年轻、最炽热的褐矮星,但主要由恒星构成),将较古老、较低温的2400开~1400开的褐矮星纳入其中。L型矮星最终将冷却为T型,T型矮星的大气中有水蒸气、甲烷和氨,温度范围从1400开~500开。不管温度如何,大多数褐矮星的大气中都含有锂元素(锂元素通常会在核聚变过程中消耗殆尽),这是天文学家们确认这种类恒星天体的途径之一。

所有的褐矮星都将逐渐熄灭,速率取决于其质量,最终将冷却变为最低温的Y型恒星。这些矮星的大气里含有更大量的甲烷和氨,并且可能还含有水冰和盐云。它们最终会降温到木星的温度,即大约130开左右。但是这些古老的、极其寒冷的Y型矮星发出的长波红外线很难被探测到,这是广为人知的。一直到去年,才首次发现了8颗Y型矮星,其中6颗是由WISE发现的。

寻找冷暗的信号

WISE于2009年12月发射进入地球轨道,并于2011年2月停止工作。在任务期间,WISE在4个不同的中红外波段,每11秒拍照一次,对整个天空进行成像扫描。科学家们用自动软件处理这些数据,选出一些褐矮星的候选者,并使用NASA的斯皮策空间望远镜和位于夏威夷的凯克望远镜等设备,进一步获取这些候选者的光度和光谱。

去年8月的两篇论文中提到,WISE的研究人员发现了超过100颗褐矮星,包括了WISE首次发现的6颗已被确认的褐矮星。这6颗天体离我们很近,从10光年到30光年不等。这些Y型矮星中,温度最低的一颗命名为WISEPJ1828+2650,它的温度与地球上的夏日差不多,只有300开。

“对于未来将取得的发现,这只是惊鸿一瞥”,一篇WISE论文的第一作者J.DavyKirkpatrick(加州理工学院红外线处理和分析中心,IPAC Caltech)如是说。这些极冷的褐矮星如果和太阳放在一起,那么在1.2微米的红外波段,它们比太阳暗弱1亿倍。

新的WISE数据有一个局限性,那就是这6颗新发现的Y型矮星都是各自独立的。能发现以群体存在的或是离其它天体较近的褐矮星是最好的,因为这可以为褐矮星的年龄、质量和其它细节的研究提供线索。

“现在,我们的列表里已有1600个候选褐矮星,而我们对WISE数据的搜索工作尚未完成。”另一篇WISE论文的第一作者Michael Cushing(托莱多大学)这样说道。虽然在接下来几年里,WISE团队的主体工作就将完成,但科学家们仍会继续花费数十年的工夫去挖掘这套数据中隐含的信息。

尽管到目前为止,WISE在寻找最低温褐矮星方面的贡献最大,但却是另两支研究团队首先发现了Y型矮星候选体,他们采用的方法是寻找某些特定恒星的伴星。去年,一组来自美国和欧洲的科学家利用夏威夷的凯克望远镜进行观测后宣布,他们发现了一个双星系统,其中包括了CFBDSIRJ1458+1013B,它的温度只有370开,和沸腾的开水差不多。

夏威夷大学的Michael Liu说:“这些天体可谓就在我们的后院里,与地球的距离在50光年以内。”他是关于儿458天体论文的第一作者。他还说:“2011年以前,已知的温度最低的矮星还在520开左右。我们现在正试图将从低质量恒星到低温褐矮星的演化过程补充完整,以得到一幅有关这些天体的完整图像。”

第八个候选Y型矮星WD0806—661B也公布于2011年,距离我们63光年,温度大约为325开,它是WISEP J1828成为最冷褐矮星的有力竞争者。KevinLuhman(宾夕法尼亚州立大学)和他的同事们当时正在用“斯皮策”望远镜观测一颗白矮星,他们发现,有一颗暗弱的小天体在一个较远距离上围绕着这颗白矮星旋转。

WD0806B是一个神秘的天体,它的质量只有木星质量的7倍。理论上讲,发生氘聚变的质量下限为12个木星质量,很明显,WD0806B的质量远低于这个质量下限。另一方面,天文学家们认为,在原行星盘中形成的气态巨行星距离主星不会超过100天文单位,而这颗低温天体与它的白矮星伴星相距竟有2500天文单位。Luhman说:“不要指望气态巨行星会离恒星如此之远,除非发生了一些奇怪的事情让它的轨道发生了根本性变化。”

共同发现者Adam Burgasser(加州大学圣迭戈分校)认为,它叫什么并不重要。他说:“我不关心给它贴上行星的标签还是褐矮星的标签,重要的是,它的确是一个非常低温的天体,而且它的大气层也非同一般。”

尽管光谱并不完整,但WD0806B的红外波段光度表明,它的温度正是Y型矮星所具有的。我们很难估计那些孤立运动的WISE褐矮星的年龄和距离,但是这一颗是与已知年龄和距离的白矮星相伴出现的,所以Luhman说,他们的研究团队已经很容易地确定了它的一些重要参数,比如质量等。

这些新的发现使得行星和褐矮星之间的观测分界线变模糊了。如果我们发现有一颗低温天体孤零零地存在着,并且自身发出暗弱的光,那么大多数天文学们就会把它归入褐矮星。但也有例外,如孤立运动的、与木星同等大小的“孤儿行星”,就被认为是从行星系统中甩出去的天体。天文学家们也许必须在质量和位置之外引入别的线索,试着通过推测这些天体是如何形成的来区分褐矮星和行星。

行星一样的恒星

绝大多数的理论都认为,褐矮星的形成与行星不同,而是与恒星类似,都是起源于气体和尘埃云在引力坍缩后形成的高密度核。但这个过程本来足以形成能够维持氢聚变的大质量天体。在褐矮星的演化历史中,应该是有什么事情打断了这个过程。这个外界的干扰可能是一个巨大的过路恒星,它夺取了正在生长的恒星胚胎的养分,或是在恒星胚胎积累到足够的维持氢聚变的物质之前就把它从这个系统中抛射了出去;或者,褐矮星的形成可能是由星云内部的扰动引起的,比如经过其旁边的激波,加之恰巧其形成区的物质并不足以压缩成为完整的恒星。

但是也有人推测,褐矮星的诞生与气态巨行星类似,在被抛出恒星系统进入星际空间孤立运动之前,同样是在恒星周围的盘中聚合形成的。Kirkpatrick说:“也许这些过程同时发生着,甚至就在同一个恒星形成区里。形成褐矮星或许有许多种不同的路径。”

英国剑桥大学的Cathie Clarke说:“WISE天体都非常迷人,但是它们的历史太久远了,所以不能给我们提供足够的线索去研究其形成机制。”她还认为,观测正在形成恒星的星云内部可以帮助我们理解这些寒冷、高密度、兼具两类天体特征的天体是如何形成的。

位于智利的阿塔卡玛毫米波/亚毫米波大天线阵(ALMA)很有可能提供褐矮星形成的线索,这个碟形天线的阵列号称是世界上最大的天文学工程,目前正在智利安装和调试。这台预计2013年完工的望远镜总共有66架天线,这使得它的分辨率比哈勃空间望远镜还要高。

“ALMA的设计就是要观察褐矮星形成区的环境”,John Bally(科罗拉多大学伯尔德分校)说。他还说,使用ALMA对褐矮星形成进行集中观测是非常有意义的,天文学家们希望这台望远镜会在有关Y型矮星的研究中扮演十分重要的角色,“它非常适合于低光度天体的研究”。

古老的Y型矮星不仅会给褐矮星的生命周期提供一幅更加完整的图像,同时对于另一个天文领域的研究也是大有裨益的。由于Y型矮星的温度低到几乎与木星差不多的130开,所以它们是太阳系外行星大气的代表。在已知的褐矮星中,温度最低的仅有300开(大约相当于摄氏零上27度——译者注),如果木星距离太阳仅有1天文单位,那么木星也会升到这样的温度。但是研究人员认为,他们很可能会找到大气条件与太阳系内的气态巨行星相似的更冷的天体。

一些年轻的系外行星已经有了直接拍摄到的图像,如绘架座β的行星以及HR8799周围的4颗行星。但大多数的系外行星都是从恒星前面穿过时,或是因为其轨道运动使恒星的位置有轻微的摆动,才被探测到的。气态巨行星的反射光通常都被近旁的宿主恒星的明亮光芒掩盖了,所以要研究它们的大气非常困难。因为Y型矮星通常并不靠近其它恒星,所以天文学家们可以不受附近强光的影响来直接观测它们。因此,Y型矮星大气的研究与同等大小的系外行星相比,要容易得多了。

Kirkpatrick说:“褐矮星是最简单的例子,如果有正确的模型,就能更好地将它们与系外行星进行比较。我们才刚刚开始看到,这些低温天体是多么地复杂多变。”

Burgasser又进行了补充,他说:“它们本质上是恒星,而在大气层中却含有冰的成分。”Y型矮星似乎拥有甲烷、水蒸气和氨气的混合物,还有固态和液态的水和盐。一些模型表明这些分子可以形成云,甚至木星和土星上的那种云带,它们在矮星自转时可以呈现出亮度上的变化。Burgasser是一个国际合作团队的成员,这个团队监测几个不同的源,以寻找与褐矮星大气和气候有关的线索。

根据Burgasser的说法,宇宙中可能存在着数百万颗极低温的褐矮星,其上有着适宜冰存在的低温,甚至可能还有水循环。但是Y型矮星上的水循环可能与地球不一样,因为Y型矮星缺少固态的地表。Burgasser说,Y型矮星上的水分子不会形成液态的水体,而是在大气中循环运动,当它们上升时,气体会变成液体,再变成冰状固体;而下降时,冰状固体又变回了气体。他表示,这种图景在很大程度上只是推测,因为“我们以前还从未研究过这种类型的大气”。

Kirkpatrick猜想说:“在一些褐矮星的大气中,可能还会有漂浮着的生物存在。”这种流传很广的想法出自阿瑟·克拉克和卡尔·萨根这样的著名作家。“这并非绝对不可能。”

除了它们那令人着迷的大气,Y型矮星还有许多关于其以前所处在的环境的研究线索。Burgasser说:“没有发生氢聚变的后果之一就是褐矮星保持了它们在形成时所处环境的化学元素丰度。”褐矮星与太阳不同,它们整体都在进行对流过程,这意味着一直运动进入内核的物质会被带到云层顶端,这可以显示出整个褐矮星的化学组成。这些信息不仅可以为久远以前矮星的婴儿期的研究提供一缕灵光,同时对那些对于第一批恒星形成时宇宙的环境状况感兴趣的天文学家们也非常有用。Burgasser说:“这些褐矮星很可能就是那个时代遗留下来的产物。”

对于这些距离我们并不遥远的昏暗的恒星行星中间型天体,天文学家们正在揭开它们的神秘面纱,Y型矮星有可能被证实为距离我们最近的邻居之一,而且也是非常有价值的大气实验室和古老记录的保存者,它将告诉我们关于宇宙的无数奥秘。

——译自《天空与望远镜》(2012年7月号)

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