基本介紹
- 中文名：褐矮星
- 外文名：brown dwarf
- 特點：質量介於恆星與行星之間的天體
- 表面溫度：不會超過3000K
- 發現時間：1995年
- 質量：0.08M⊙以下
- 舉例：2M1207，蒼蠅座KR b
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研究歷史
天文學家花了12年研究才發現這兩顆褐矮星，總共觀察了300多個夜晚和進行了1600次測量，結果計算出兩顆相當年輕褐矮星（還不滿100萬年）全部必需的參數，它們位於距離地球1500光年的獵戶星座。雙星系統中較大一顆褐矮星質量超過木星50倍，而較小一顆褐矮星質量比木星大30倍，它們的直徑分別為太陽直徑的70%和50%。儘管它們初看起來不算矮小，但是它們的質量分別僅為太陽質量的5.5%和3.5%。天文學家還意外發現較輕褐矮星表面的溫度更高些，雖然“普通”恆星的情形相反：恆星質量越大，它就越熾熱。或許，引起這反常現象的原因在於某種物理作用過程，現代恆星結構理論沒有考慮到這種物理作用過程（比如恆星的強烈磁場）。此外，這兩顆褐矮星可能不是同時形成，也不是在同一地點形成，而是由於某種災變而結合在一起，因此它們的表面溫度不同，但是這一切暫時仍只是一種假設。美國科學家利用美國宇航局的斯皮策紅外線太空望遠鏡，發現了一顆環繞恆星作軌道運行的小型褐矮星（browndwarfstar），並直接獲得了它的圖像。他們表示，這是人類首次發現此種情景，但這種現象並不孤立。 研究報告的第一作者、美國賓州大學天文學和天體物理學系助理教授凱文·魯荷曼說，在過去10年多的時間內，採用直接探測的方法，天文學家極其成功地尋找到了那些靠近恆星的行星。藉助斯皮策紅外線太空望遠鏡的紅外探測能力，人們可以直接探測行星系外的溫度極低的褐矮星（也稱T矮星），甚至探測到大行星。這顆被發現的T矮星名為HD3651B，位於雙魚座，其質量是木星的50倍。被其環繞的恆星其質量小於太陽，它的附近還有一顆質量略小於土星的行星。該行星的軌道呈極扁平橢圓形，科學家認為它具有如此軌道的原因是在外圍作軌道運行的HD3651B的引力。過去，人們發現太陽系外的行星具有極扁平的軌道，並提出了隱藏在行星系中的其他天體（如T矮星）導致行星軌道呈現極端現象的理論。斯皮策紅外線太空望遠鏡此次發現首次為該理論提供了證據。
褐矮星
褐矮星
褐矮星
褐矮星褐矮星褐矮星研究人員表示，在發現HD3651B後，他們又接二連三地發現了其他T矮星。如在飛馬座發現了HNPegB，它的質量為木星的20倍。同該星座中其他年齡達數十億年的老褐矮星相比，這顆T矮星相當年輕，只有約3億歲。
失敗恆星
褐矮星被稱為“失敗的恆星”，它由於質量不足無法成為燃燒的恆星，但其質量仍遠大於太陽系最大的行星木星。天文學家在這些古怪的星球上發現了巨大的類似行星的風暴，這種風暴足以與木星上的大紅斑風暴媲美。由於褐矮星會隨時間的推移冷卻下來，該星球上氣態的鐵分子就會濃縮成液態的鐵雲和鐵雨。隨著進一步的冷卻，巨大的風暴就會掃過這些雲層，讓明亮的紅外線逃逸到宇宙中。
褐矮星
褐矮星十幾年前，褐矮星還僅僅是天文學教科書中停留在理論上的天體，那時甚至還不知道這種質量介於巨行星和最低溫矮星之間的天體是否存在。而今天，我們所面臨的問題是如何來區分這些低質量天體。在《天體物理學報》上，麥克雷（McLean）等人提出了基於褐矮星近紅外光譜的統一分類方法。這一分類方法同時也提供了有關褐矮星的化學信息。
天文數據
表面溫度
由於沒有核聚變，褐矮星的表面溫度不會超過3000K。褐矮星的溫度越低，它的可見光波段的亮度就越小。M型矮星的輻射主要集中在紅光波段（大約0.75μm），而溫度更低的L型褐矮星（溫度為1200-2000K）和T型褐矮星（溫度為800-1200K）的輻射則主要集中在近紅外波段（1-2μm），這使得褐矮星從本質上就會變得很暗弱。另外，褐矮星外層大氣中的分子，例如水、一氧化碳、甲烷和氨，會吸收向外的輻射，使得褐矮星進一步變暗。這些因素使得尋找褐矮星成為了天文觀測的一大挑戰。
大氣
根據來自亞利桑那大學的主要研究人員丹尼爾-奧保伊稱，和恆星類似，褐矮星是由高濃度氣體構成的，但由於其本身的質量不足，無法像恆星那樣完成氫的核聚變並產生能量。然而，這類通常被稱為“失敗恆星”的天體卻與氣體行星有著更為類似的複雜的大氣層。
此項新研究不僅會讓我們更好的理解褐矮星，同時也會讓我們更加了解太陽系之外行星的大氣層。
事實上，研究人員把哈勃和斯皮策兩台望遠鏡同時對準一個被命名為2MASSJ22282889-431026的褐矮星。他們發現該褐矮星發出的光因時間而變化，隨著自身的轉動，該星體每90秒完成一次明暗的變化。而更令人驚奇的是，研究人員認為其亮度變化的時機取決於用於觀測的紅外光的波長。
這些變化顯然是褐矮星外圍不同大氣層中物質成分不同導致的。可以肯定的是，斯皮策和哈勃觀測到不同的大氣層是因為一些特定波長的紅外線被水蒸氣和高濃度的甲烷阻塞，而其他波長的紅外線卻從更深的大氣層發出。
NASA阿姆斯研究中心的科學家馬克-馬萊利（Mark Marley）解釋稱，與地球的水蒸氣雲和木星的氨水雲不同，褐矮星的雲主要由熱沙粒、鐵水以及其他不常見的混合物組成。
光譜
儘管褐矮星的光譜存在著複雜性，但是化學組成仍然是可以被識別出來的，而且也可以用來對褐矮星進行分類。如今還沒有直接觀測到比T8型褐矮星質量更小，溫度比T8型褐矮星（有效溫度大約為800K）更低的天體，來銜接褐矮星和木星（大約125K）。但是，已升空的"斯皮澤"空間望遠鏡所具有的中紅外觀測能力也許能幫助我們找到這缺失的一環。
發現過程
1995年發現了第一顆褐矮星Gl229 B。它比起紅色的M型矮星（溫度最低，質量最小的恆星）來更像是巨行星，亞恆星天體的特徵十分明顯。90年代後期，得益於大範圍的紅外巡天發現了大量的褐矮星。
褐矮星
褐矮星分類
最早，L型褐矮星的進一步分類是按照可見光的紅光光譜進行的，而T型褐矮星的細分則依賴於近紅外光譜。麥克雷等人使用凱克望遠鏡Ⅱ上的近紅外分光儀對大約50顆左右的褐矮星進行了分析，提出了對L型褐矮星和T型褐矮星的統一分類方法。他們使用高質量的近紅外光譜，通過比較Na、K、Ca、Al和Mg原子譜線的相對強弱以及水、一氧化碳、甲烷和FeH的譜帶對褐矮星進行了分類。這一觀測為L型褐矮星和T型褐矮星的光譜分類建立了一個框架。
褐矮星
褐矮星由於褐矮星自身的小尺度（大小與木星相當）和低質量增加了探測褐矮星的難度，因此這些觀測本身代表了很大的進步。褐矮星的質量最高只能達到太陽的7%（作為比較木星的質量是太陽的大約0.1%），還不足以啟動和維持氫核聚變而成為恆星。如果褐矮星的質量超過13個木星質量就可以燃燒氘，但是氘燃 燒所釋放的能量和氫比起來微乎其微，而且對於質量最大的褐矮星來說氘燃燒的時間也不會超過1億年。與之形成對比的是，在恆星中氫燃燒的時間可以持續幾十億年。褐矮星一生中所釋放的能量絕大部分是其形成和收縮時所釋放的引力能，同時褐矮星也終將會變冷而老去。
形成機制
關於褐矮星形成的機制天文學家們眾說紛紜，比較常見的有拋射理論、前恆星核的光致侵蝕理論、不透明度制約的分裂理論、原恆星盤的不穩定性理論等。拋射理論認為，褐矮星是由於低質量的原恆星胚在還沒有達到產生氫核聚變所需的質量前，與其它天體發生了碰撞而被拋射出前恆星核所形成的，這一理論部分地得到了雙褐矮星系統的證實。前恆星核的光致侵蝕理論基於大質量恆星的輻射對前恆星核的光致侵蝕作用，能夠解釋處於電離氫區中的褐矮星的形成機制。褐矮星也可能由大質量的原恆星盤在其它恆星的引力作用下發生碎裂而產生。這些理論每個都只能解釋部分褐矮星的形成，研究褐矮星周圍的恆星盤可以有效地檢驗上述理論。
著名矮星
Y矮星CFBDS0059
科學家在距離地球40光年的位置發現一顆暗淡、孤立的虛弱星體，這顆褐矮星的質量是木星的15-30倍，表面溫度為350攝氏度，與水星赤道表面溫度相近，比金星表面溫度更低。這項發現引起了科學家的極大興趣，其原因是這種星體將大行星從小型恆星中劃分出來，從理論領域上將其命名為新的恆星類型——“Y矮星”。加拿大-法國夏威夷望遠鏡恆星研究員洛西·艾伯特說，“這是介於恆星與行星之間最後的光譜類型。”他參與該研究小組將鑑別了這顆新發現的冷褐矮星，將其命名為“CFBDS0059”。該研究報告發表在近期出版的《天文學和天體物理學》雜誌上。
艾伯特稱，由於Y矮星生來暗淡，因此非常難以發現並鑑別。事實上沒有人在斷然識別Y矮星方面取得明顯成功。人類肉眼是看不到這種星體的，即使使用天文望遠鏡也無法觀測到。這是因為其表面溫度不高，不足以發出紅色光線，類似於電爐絲的加熱效應。然而，在這種溫和的溫度下，Y矮星卻釋放出紅外線。因此，天文學家通過加拿大-法國夏威夷望遠鏡、“雙子座”望遠鏡和歐洲南方天文台NTT望遠鏡的近紅外線和紅外線儀器對CFBDS0059進行了鑑別和研究。
艾伯特解釋稱，證實CFBDS0059或其他冷褐矮星是否是Y矮星的關鍵依據是大氣層中是否存在氨。為了探測大氣層是否有氨，需要收集大量的紅外光線，分離其光譜觀測氨氣吸收光線所形成的暗線條。他在接受《探索頻道》記者採訪時說，“我們發現CFBDS0059大氣層中有吸收氨的跡象。”研究人員對其他褐矮星分析顯示它們很少屬於Y矮星。美國麻省理工學院亞當·伯加塞說，“這種方法的確可以鑑別Y矮星的存在。”目褐矮星劃分為兩類：L矮星和T矮星，兩者之間的差別很微妙。L矮星表面溫度更高一些，達到1200-2000攝氏度；T矮星表面溫度為1200攝氏度，其大氣層中富含甲烷氣體。
在Y矮星溫和溫度下，水濃縮成為水汽滴；在褐矮星大氣層中，水通常以氣態形式存在；然而巨大行星卻將水濃縮為冰水形式，因此這種溫度較低水以水汽滴形式存在的Y矮星有望將最熾熱恆星至巨大行星之間的過渡星體次序連線成來，這對於研究太陽系外行星同樣具有深遠意義。
褐矮星WISE J085510.83-071442.5
2014年4月，美國宇航局藉助廣域紅外望遠鏡(WISE)和斯皮策空間望遠鏡，確定發現一顆已知溫度最低的褐矮星——一顆類似恆星的暗弱星體，但其溫度卻低的出人意料，幾乎和地球上的北極一樣寒冷。
空間望遠鏡的觀測數據同時測定器距離約為7.2光年，從而使其成為迄今已知距離太陽第四近的天體系統。迄今已知距離太陽最近的天體系統是一個三合星系統半人馬座α，其距離約為4光年。
褐矮星WISE J085510.83-071442.5位置
褐矮星WISE J085510.83-071442.5位置美國賓州大學系外行星與宜居帶研究中心的天文學家凱文·魯曼(Kevin Luhman)表示：“能夠發現一個距離我們如此之近的鄰居實在令人興奮。而考慮到它極端的溫度，它應當能告訴我們很多有關行星大氣方面的信息，後者通常都擁有溫度很低的大氣層環境。”
這顆最新發現的褐矮星編號為WISE J085510.83-071442.5。其溫度約為-48~-13攝氏度。此前觀測到溫度最低的褐矮星同樣是經由WISE和斯皮策望遠鏡的數據發現的，其溫度約為室溫水平。
WISE J085510.83-071442.5的質量約為木星的3~10倍。質量如此之小，這顆星球很可能是被它原先所在的行星系踢出來的類似木星的巨行星。但科學家們認為這應當是一顆褐矮星，因為褐矮星相當常見。如果這是事實，那么這也將是迄今所知質量最小的褐矮星。
2013年3月份，魯曼對WISE望遠鏡數據的分析還發現了另外兩顆溫度高得多的褐矮星，距離約6.5光年，從而使它們成為距離太陽第三近的天體系統。這些快速運動褐矮星的發現也暗示，長久以來認為在外太陽系存在的一顆“隱藏的大行星”，或“行星X”很有可能並不存在。
探索發現
據美國航空航天局網站的報導稱，該局所屬的廣域紅外巡天探測器(WISE)發現了一對距離非常近的恆星，它們將成為迄今發現的距離太陽系第三近的恆星/恆星系統，這星也是人類自1916年以來發現的距離太陽系最近的恆星系統。這一雙星系統中的兩顆恆星都是褐矮星。
凱文·魯曼(Kevin Luhman)是美國賓夕法尼亞州立大學天文學與天體物理學教授，並在該校系外行星與宜居世界研究中心擔任研究員。他說：“這對褐矮星雙星到地球的距離僅有6.5光年。這樣的距離太近了，以至於地球上2006年時播出的電視節目信號現在已經傳播到了那裡。……這是一個絕佳的搜尋行星的地方，因為它們的距離實在太近了。這樣我們就有很好的機會來看看是否有任何行星圍繞其中任何一顆褐矮星運行。”
這一雙星系統已經被正式編號為WISE J104915.57-531906，之所以前面會帶有WISE是因為這一雙星系統是在由WISE獲取的數據製作的紅外巡天圖上被發現的。這一雙星的距離僅僅比排名第二的巴納德星稍遠一些，後者在1916年被發現時距離太陽系大約6光年遠。
而距離我們最近的恆星系統則是半人馬座α，它於1839年被確認距離僅有4.4光年。半人馬座α是一個三合星系統，包括明亮的半人馬座αA以及半人馬座αB組成的雙星系統，以及距離稍遠、非常暗淡的比鄰星。然而正是這顆暗淡的比鄰星其距離太陽系僅有4.2光年左右，從而使其成為嚴格意義上來說距離最近的恆星，儘管很多時候會將其作為半人馬座α的組成部分對待。
來自加州大學洛杉磯分校的愛德華·懷特(Edward Wright)是WISE探測器項目的首席科學家，他說：“當初提出WISE探測器方案時候的科學目標之一便是搜尋距離太陽最近的恆星。WISE J1049-5319 是目前使用WISE數據找到的距離最近的恆星體。未來使用大型望遠鏡設備，如地基的雙子望遠鏡以及未來即將發射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡對這一雙星系統進行觀測，將讓我們獲得更多有關褐矮星的認識。”
WISE探測器在2011年順利完成其計畫中的覆蓋整個天空的紅外波段巡天，在此期間WISE對整個天空掃描了兩遍。根據WISE探測數據製成的巡天星圖已經向公眾發布，而仍在執行的一個名為“AllWISE”的計畫則將會把這兩次巡天中獲得的數據結合在一起。AllWISE項目將利用WISE的數據對全天進行搜尋，尋找類似WISE J104915.57-531906這樣在近距離上因此移動較為迅速的天體，但同時也對遙遠宇宙中此前未曾發現過的暗淡天體展開搜尋。所有這些數據都將在2013年對外公布。
美國航空航天局噴氣推進實驗室負責WISE探測器項目的管理以及運行工作。加州大學洛杉磯分校的愛德華·懷特是本項目的首席科學家。WISE是美國航空航天局“探險者”計畫之下實行的一項探測項目，該項目由宇航局戈達德空間飛行中心負責管理。WISE探測器所搭載的科學載荷則由美國猶他州的空間動力實驗室研製。探測器本體由科羅拉多州波爾多市的鮑爾宇航技術公司製造。WISE項目的具體科學運作以及數據分發項目由美國加州理工學院紅外處理與分析負責進行。
有關此項研究的結果將會發表在《天體物理學通報》上。
目前發現的最冷褐矮星是CFBDS0059，科學家斷定上面可能會有氨存在。
編號為WISE J085510.83-071442.5的褐矮星以驚人的速度移動，質量在3至10個木星質量之間。
褐矮星的行星想像圖
褐矮星的行星想像圖發現意義
據國外媒體報導，宇宙中的褐矮星被認為是失敗的恆星，根據一項最新的研究顯示，歐洲空間局的科學家們通過射電望遠鏡探測到一些褐矮星可能存在令人詫異的強大“極光”。我們所知的極光現象是來自太陽的高能帶電粒子流與地球的高層大氣發生碰撞所致，極光現象一般出現在高緯度的地區，並且可呈現出絢麗多彩的景象。通常情況下，太陽表面發生的日冕物質拋射現象可產生強大的高能粒子，它們抵達地球軌道附近後與地磁場相互作用，並在兩極地區形成美麗的極光。
當太陽粒子風暴強度較大時，我們甚至可以在中緯度地區看到極光現象。然而，恆星風粒子在被行星大氣吸收之前，也可以產生螺旋式的電漿，同時輻射出射電信號，科學家認為我們可以探測到這些射電信號的存在。有理由認為，任何一個具有全球性磁場的行星都具有形成極光現象的潛力。對此，天文學家們已經對木星和土星上的極光現象非常熟悉，由於木星的磁場比地球的磁場強了至少100倍以上，因此，對這類巨型氣態行星極光的研究有助於探索系外天體的極光現象。
英國萊斯特大學團隊認為木星的極光信號可以傳播至太陽系之外的星際空間，可以為科學家探索遙遠外星世界的極光提供檢測途徑，其中也包括最小質量恆星褐矮星射電信號的捕捉。研究結果認為太陽系之外的天體也會發生極光現象，釋放的射電信號比木星強數十萬倍，因此可以在跨星際距離上傳播，這為科學家們探測系外天體的極光現象提供了途徑。另外，研究系外天體極光，也有助於發現其他恆星系統的宇宙生命和宜居行星。
