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褐矮星

2020-10-16

出处：族谱网

作者：阿族小谱

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历史较小的天体是葛利泽229B，质量大约是20〜50木星质量，环绕着母恒星葛利泽229。这颗恒星位于天兔座，距离地球约19光年。在1960年代，从理论上就已经推测出褐矮星的存在。在1975年，吉儿·塔特从新定义了这个专有名词。它起初被称为黑矮星，在分类上是一种在太空中自由漂浮，因为质量太低而不能维持氢融合反应的黑暗次恒星。但黑矮星现在是指白矮星冷却到不再发出明显可见的光的状态。恒行星和次恒星都曾经被提出做为褐矮星的替代名称。早期有关恒星与氢燃烧最低质量极限理论的论文表明，第一星族星的质量不能小于0.07倍太阳质量，或是第二星族星的质量不能小于0.09倍太阳质量，低于下限质量的天体将不能进行正常的恒星演化，而将成为完全的致密星（库马尔1963）。在1980年代后期，受到氘燃烧的发现将这个下限减缩为0.012太阳质量，还有在褐矮星外层低温的大气层受到撞击形成的粉尘等的影响，引发对这些理论的质疑...

历史

较小的天体是葛利泽229B，质量大约是20〜50木星质量，环绕着母恒星葛利泽229。这颗恒星位于天兔座，距离地球约19光年。

在1960年代，从理论上就已经推测出褐矮星的存在。

在1975年，吉儿·塔特从新定义了这个专有名词。它起初被称为黑矮星，在分类上是一种在太空中自由漂浮，因为质量太低而不能维持氢融合反应的黑暗次恒星。但黑矮星现在是指白矮星冷却到不再发出明显可见的光的状态。恒行星和次恒星都曾经被提出做为褐矮星的替代名称。

早期有关恒星与氢燃烧最低质量极限理论的论文表明，第一星族星的质量不能小于0.07倍太阳质量，或是第二星族星的质量不能小于0.09倍太阳质量，低于下限质量的天体将不能进行正常的恒星演化，而将成为完全的致密星（库马尔1963）。在1980年代后期，受到氘燃烧的发现将这个下限减缩为0.012太阳质量，还有在褐矮星外层低温的大气层受到撞击形成的粉尘等的影响，引发对这些理论的质疑。然而，这样的天体几乎不发绍出可见光，因此很难找到。它们辐射最强的波段是在红外线光谱中，而基于地面的红外线探测器当时还不太精确，很难找出任何的褐矮星。

从那时以来，通过各种不同的方法搜寻，试图找到这样的天体。这些方法包括环绕着星场的多色成像巡天、主序星中矮星和白矮星的微弱伴星调查、年轻恒星团的调查、和监测径向速度以寻找紧邻的伴星。

许多年来，发现褐矮星的努力都白费了。但是，在1988年，加州大学洛杉矶分校的Eric Becklin和在以红外线搜寻白矮星的调查中，在已知的GD 165确认出一颗黯淡的伴星。这颗伴星，GD 165B，的光谱非常红和令人迷惑，其特征显示质量比预期的任何红矮星都还要低。很明显的GD 165B将需要被归类为比任何已知的M矮星还要低温，是更冷的天体。在将近十年的时间里，GD 165B是唯一的这类天体，直到2微米全天巡天（2MASS）开始之后，加州理工学院的Davy Kirkpatrick和其他人才发现许多与其有着相似颜色和光谱的天体。

现在，GD 165B被公认为"L矮星"这一类型的原型。然而，最低温矮星的发现在当时有很重大的意义，GD 165B该归类为褐矮星，还是质量很低的恒星还进行了辩论，因为在观测上很难对区分这两者。

在GD 165B被发现之后，很快就有其它褐矮星候选者的发现报告。但是，许多候选者都因为缺乏锂来证明它们是恒星，因而失败并丧失了候选资格。真正的恒星，燃烧锂的时间只略多于一亿年，而褐矮星不会燃烧锂（令人费解的是，它的温度和光度类似于真的恒星，应该可以燃烧锂）。换句话说，只要在候选者的大气层中检测到锂，而且他的年龄已经超过一亿年，它就是褐矮星。

在1995年，褐矮星的研究有了极大的突破，发现了两个无可置疑的次恒星天体（泰德1和葛利泽229B），并且以670.8奈米的谱线确认了锂的存在。其中最著名的是后者，它被发现温度和亮度都远低于恒星的范围。引人注目的是，其红外线光谱清楚的呈现2微米的甲烷吸收带，这种特征以前只在巨行星和土星的卫星泰坦的光谱中观测到。甲烷的吸收不会在主序星的温度下出现，此一发现协助建立了另一类温度比L矮星更低的"T矮星"，葛利泽229B就是此一类型的原型。

第一次确认的褐矮星是由西班牙天文物理学家Rafael Rebolo（领导者）、玛丽亚·罗莎·萨派特罗·奥索里奥和爱德华多·马丁在1994年发现的。他们发现的这个天体被称为泰德1，位于疏散星团昴宿星团内。发现的本文袃1995年春天提交给自然杂志，该杂志在1995年9月14日发表。自然在头版头条，很显目的标示"褐矮星的发现，正式版"。

发现泰德1的影像是IAC的团队在1994年1月6日使用泰德峰天文台口径80公分的望远镜（IAC 80）搜集影像，而根据纪载，它的光谱是在1994年12月使用穆查丘斯罗克天文台（拉帕尔马岛）4.2米的赫歇尔望远镜采集的。因为泰德1是昴宿星团的成员，它的距离、化学组成、和年龄，才能被估计出来。使用最先进的恒星演化模型，团队估计泰德1的质量是55木星质量，这显然低于恒星质量的下限。这个天体随后成为年轻褐矮星工作相关引用的参考。

在理论上，质量低于65木星质量的褐矮星，在其演化过程中的任何时间点上都不会引燃里燃烧的过程。事实上，检测锂的原则是调查低光度和低表面温度天体的本质之一。

由凯克I望远镜所获得的高品质光谱资料，显示泰德1一直保持形成昴宿星团的分子云原本的组成分，也证实在核心始终未进行锂燃烧的核聚变反应。这些观测确认泰德1是一颗褐矮星，也验证了锂光谱测试的成效。

有一段时间，泰德1是太阳系之外，经由直接观测能见到的最小的天体。迄今，确认的褐矮星已经超过1,800颗，甚至有一些非常靠近地球，像是被引力束缚在一起，距离太阳大约12光年的一对褐矮星印地安座εBa和Bb，还有距离仅有6.5光年的褐矮星联星Luhman 16。

理论

赫罗图光谱型态褐矮星白矮星红矮星次矮星主序星(矮星)次巨星巨星亮巨星超巨星特超巨星绝对星等(M V )

恒星诞生的标准机制是通过冷星际云的气体和尘埃形成引力坍缩。当云气收缩时，因为释放出重力位能而使它的温度升高。在进行收缩的早期，气体会迅速的放热，将多余的能量辐射出去，使坍缩继续进行。最后，中心区域会变得足够致密而陷阱辐射。因此，坍缩的云气中心温度和密度随着时间的推移而急遽增加，这使得收缩减缓，直到原恒星核心的温度和压力大到足以引发热核反应。大多数的恒星，经由热核聚变成的气体和辐射压力将支撑它阻止任何进一步的引力收缩。达到流体静力平衡的恒星，会花费绝大部分的生命期在氢融合成氦的主序星时期。

然而，如果原恒星的质量大约低于0.08太阳质量，在核心不会点燃正常的核聚变反应。重力收缩不足以让这么小的原恒星产生足够的热，而在核心的温度达到可以引发核聚变反应之前，密度已经达到使原子密集到足以创建量子状态的电子简并压力。依据褐矮星内部的模型，典型的核心温度、压力和密度将如下式预期所示：

10 g / c m 3 ≲ ≲ --> ρ ρ --> c ≲ ≲ --> 10 3 g / c m 3 {\displaystyle 10\,\mathrm {g/cm^{3}} \,\lesssim \,\rho _{c}\,\lesssim \,10^{3}\,\mathrm {{g}/{cm^{3}}} }

T c ≲ ≲ --> 3 × × --> 10 6 K {\displaystyle T_{c}\lesssim 3\times 10^{6}\,\mathrm {K} }

P c ∼ ∼ --> 10 5 M b a r {\displaystyle P_{c}\sim 10^{5}\,\mathrm {Mbar} } 。

这意味着这颗原恒星是质量不够和密度不足以达到维持氢融合所需要的条件。由电子简并压力所达到的密度和压力，阻止了物质继续向核心掉落。

进一步阻止引力收缩的结果是"失败的恒星"，或是褐矮星只是经由冷却释放掉其内部的热能。

高质量褐矮星VS低质量恒星

锂普遍存在于褐矮星，而不存在于低质量恒星。要成为恒星，必需进行氢融合反应，这会迅速消耗掉它们的锂。这是因为锂-7和质子的碰撞会产生两颗氦-4的原子核，而这种反应所需要的温度恰好低于氢融合所需要的温度。低质量恒星内部的对流确保整体的锂会被耗尽，因此在次恒星的光谱中存在锂线，是褐矮星候选者的强力指标。使用锂来区分褐矮星和低质量恒星的方法通常称为锂测试，最早是由Rafael Rebolo、爱德华多·马丁、和Antonio Magazzu提出的。然而，在非常年轻的恒星中，因为还没有足够的时间来燃烧掉，也还存在着锂。更重的恒星，像太阳，可以将锂保存在外层的大气中，而永远不会获得足够的温度使锂枯竭，不过从它们的大小已足以分辨出它们不是褐矮星。与此相反的，在质量范围上限的褐矮星，在它们年轻的时候可以热到足以耗尽锂。矮星的质量超过65木星质量，在它们活到5亿岁时就可以烧尽它们的锂，因此这种测试是不完美的。

不同于恒星，垂老的褐矮星有时会非常冷，冷到有很长的一段时间它们的大气层可以收集到足以检测出的甲烷含量。用这种方式确认的褐矮星包括葛利泽229B。

主序星可以很冷，但是有最低的热光度，使它们可以稳定的维持核聚变进行。这在每颗恒星都不一样，但一般至少是太阳的0.01% 。褐矮星既冷且黑暗，在它们的有生之年稳定的步入黑暗：足够老的褐矮星将会为太暗，以至于侦测不到。

铁雨很可能是褐矮星的大气对流换热过程的一部分对流层，而且只出现在褐矮星，而不会在小的恒星中。对铁雨的光谱研究仍在进行中－－不是所有的褐矮星都有，也不是永远都有这种异常的大气。在2013年，在最靠近太阳系的Luhman 16伴星B的大气层影像内发现异常的铁含量。

低质量褐矮星vs高质量行星

艺术家概念下环绕着HD 29587的伴星，褐矮星HD 29587B，估计它的质量是55木星质量。

褐矮星另一个显著的特性是它们的半径大约都与木星的半径相同。在它们质量的上限范围（60-90木星质量），褐矮星的体积主要依据电子简并压力，如同白矮星。在质量的下限范围（10木星质量），其体积是依据库伦压力，如同是一颗行星。净结果是褐矮星的半径随着质量变化的范围仅有10-15%。这使得它们很难与行星区别开来。

此外，有许多的褐矮星没有经历过核聚变：在质量的下限范围（低于13木星质量），它们的核心从未热到可以进行融合氘，甚至在质量的上限范围（超过60木星质量），快速的冷却使它们不能持续进行核聚变，能进行核聚变的时间大约只在1,000万年以内。

X射线和红外线光谱的分析也有些迹象。有些褐矮星能发出X射线；并且所有较温暖的褐矮星持续地在红光和红外线的光谱中发出引人注目的光辉，直到它们的温度低到像行星那样（低于1,000K）。

气体巨星有一些褐矮星的特性。例如，木星和土星两者的主要成分都像太阳一样，是氢和氦。而土星的质量只是木星的30%，但却几乎和木星一样大。太阳系中的三颗巨大行星（木星、土星、和海王星）排放出来的热量比从太阳收到的更多。而且4颗巨大的行星都有自己的"行星系统"—它们的卫星。褐矮星像恒星一样，是单独形成的，只是缺乏足够的质量，不能像恒星一样的燃烧。像所有的恒星一样，它们可以是单独的天体，也可以很靠近其他的恒星。有些轨道也像行星一样，是椭圆的轨道。

目前，国际天文合会考虑质量在可以燃烧氘的质量下限（目前以太阳系的金属量计算是13木星质量）以上的天体是褐矮星，而在此质量下限以下（并且环绕其他恒星或恒星残骸的），则被考虑是一颗行星。

以13木星质量做分界只是一个经验法则，而不具有精确的物理意义。较大的天体会烧掉较多的氘，而较小的只会烧掉一些，13木星质量大约在它们中间点的位置。氘的数量在某种程度上也取决于天体本身的一些组成分，特别是氦和氘相较于其他重元素的比例，这些决定了大气透明度、进而影响到该天体冷却的速率。

太阳系外行星百科包含质量高达25木星质量的系外行星，系外行星资料浏览器也收录24木星质量的行星。

太阳、年轻的次褐矮星、和木星之间的大小比较。随着次褐矮星的老化，它会逐渐冷却和缩。

次褐矮星或“行星质量褐矮星”是在与恒星和褐矮星相同模式下形成的另一种天体（也就是说，它们经由气体云的坍缩，但是质量低于氘燃烧（大约13木星质量）的热融合所需要的质量）。一些研究人员称它们是自由漂浮行星，而另一些人则称它们是行星质量褐矮星。

次褐矮星的形成方式与恒星相同，经由气体云的坍缩（或许有光侵蚀的协助），但是对于此过程是否会形成行星，以及在分类上则尚未取得共识自由漂浮次褐矮星在观测上与最初在恒星形成，然后被逐出轨道的流浪行星没有什么区别；另一方面，在星团中形成的次褐矮星也可能被捕获，进入环绕恒星的轨道。国际天文合会的太阳系外行星工作小组（WGESP）提出了"次褐矮星"这个名词，定义为：在年轻星团中发现，质量在褐矮星质量下限之下的自由漂浮天体。

低质量极限

气体云坍缩可以形成的次褐矮星质量下限大约是1 M J 。这是因为气体的重力塌缩需要辐射能量，但受到透明度的限制会加热天体。在一篇论文中描述了3 M J 的候选者。

可能的行星质量褐矮星列表

这些恒星的伴星是次褐矮星还是行星，还没有获得共识。

WD 0806-661B

室女座DTc

金牛座FW b

ROXs 42b b

这些恒星的伴星是次褐矮星还是行星，还没有获得共识。

2MASS J04414489+2301513的伴星，质量为5–10M J

2M1207b

WISE 0855–0714：距离地球约7光年，质量在3-10 M J

S Ori 52

UGPS J072227.51-054031.2

Cha 110913-773444

CFBDSIR2149-0403

观测

褐矮星的类型

光谱类型M

艺术家眼中晚期的M矮星。

光谱类型在M6.5与之后的恒星是褐矮星，它们也称为后M矮星。

光谱类型L

艺术家眼中的L矮星。

长期以来，M是古典的恒星光谱类型中温度最低的一类。光谱以一氧化钛（TiO）和钒氧化物（VO）分子的可见光吸收谱线为主。然而，GD 165B，白矮星GD 165的伴星，没有标示M矮星的TiO吸收谱线特征。随着越来越多如同GD 165B的天体现身，最终导致柯克派翠克和其他人定义新的光谱类型， L矮星：在红光区不是微弱的金属氧带（TiO、VO），而是强烈的金属氢化物带（FeH、CrH、MgH、CaH）和显著的碱金属线（NaI、Kl、CsI、RbI）。截至2013年 ( 2013-Missing required parameter 1= month ! ) ，已经确认的谱线超过900条，多数都是由广域巡天：2微米全天巡天（2MASS）、近红外南天深度巡天（DENIS）、和斯隆数字化巡天（SDSS）等的成果。

光谱类型T

艺术家眼中的T矮星。

如同GD 165B是L矮星的原型，葛利泽229B是第二种光谱类型T矮星的原型。而近红外线（NIR）光谱的L矮星显示强烈的水（H 2 O）和一氧化碳（CO）的吸收线，葛利泽229B的近红外线光谱主要的吸收线则来自甲烷（CH 4 ），这种特征只曾在太阳系巨大的土星和它的卫星泰坦发现过。CH 4 、H 2 O、和氢分子的碰撞诱导吸收（CIA，collision-induced absorption），使得葛利泽229B的近红外影像呈现蓝色。它陡峭的红色光谱也缺乏L矮星的FeH和CrH吸收带，反而有异常宽广的碱金属钠和钾的吸收特征。这些差异导致柯克·派翠克提出有H-和K-波段与CH 4 吸收特征的T矮星光谱类型。截至2013年 ( 2013-Missing required parameter 1= month ! ) ，已经知道的T矮星有355颗。最近，亚当和汤姆·格巴尔研拟了T矮星近红外光谱分类的新方案。理论认为L矮星是混和了质量非常低的恒星和次恒星天体（褐矮星），而T矮星完全都由褐矮星组成。因为钠和钾的吸收在T矮星光谱中绿色的部分，在人类视觉感知的T矮星真实颜色应该是煤焦油染料的洋红色，而不是棕色。光谱类型T的褐矮星，像是WISE 0316+4307，已经检测出其距离太阳超过100光年。

光谱类型Y

艺术家眼中的Y型矮星。

还有一些人怀疑，如果还有的话，应该属于 Y型矮星，并预期它们将比T型矮星冷得多。虽然没有明确定义的谱序，也尚未有原型，但它们已经有了模型。

在2009年，已知最冷的褐矮星温度估计在500-600k之间，并已分配光谱为T9。有三颗褐矮星的例子，分别是CFBDS J005910.90-011401.3、ULAS J133553.45+113005.2、和ULAS J003402.77−005206.7 。这些天体的光谱显示在1.55微米附近的吸收谱。Delorme等人认为这些是氨的吸收谱线，应该被看作是T-Y的过渡，这些天体应该标志为Y0 。但是，这项特征很难区分是否是水和甲烷的吸收，因此其它的作者认为归类为Y0尚言之过早。

在2010年4月，发现了两颗超级冷的次褐矮星（UGPS 0722-05和SDWFS 1433+35），被提出来做为光谱分类Y0的原型。

在2011年2月，Luhman等人报告在一颗白矮星发现了邻近的伴星，是温度大约300K，7木星质量的褐矮星。尽管这是行星的质量，但罗德里格斯等人认为它不可能像行星那样的方法形成。

不久后，刘等人出版了一份非常冷（〜370K）的环绕着非常低质量褐矮星的褐矮星报表，并且注明鉴于它们的低光度、非典型的颜色和寒冷的温度，CFBDS J1458+10B被架设是Y型矮星最有希望的候选者。

在2011年8月，科学家使用NASA的WISE资料发现6颗Y型矮星－有着像恒星的身体，但温度与人体一样冷。

WISE 0458+6434是WISE发现的第一颗超级冷的褐矮星（绿色的点）。绿色和蓝色来自于红外线对应于可见光的颜色映射。

从WISE的资料已经发现了上百颗新的褐矮星，其中有14颗归类为极冷的Y型矮星。一颗被称为WISE 1828+2650的Y型矮星是在2011年8月发现的，是纪录中温度最低的褐矮星－完全没有发射可见光。这种天体被认为像是自由漂浮行星，更胜于是恒星。最初估计WISE 1828+2650有温度大约低于300K的大气层 —将它和室温的上限298K（25 °C，80 °F）比较，它的温度已经修正和更新为范围在250至400K（−23–127 °C，−10–260 °F）。

在2014年4月，WISE 0855–0714被宣布其温度轮廓估计在225至260K，质量在3-10木星质量，也很不寻常地观测到它的视差，意味着它距离太阳系很近，只有7.2±0.7光年的距离。

褐矮星的光谱和大气特性

L型和T型矮星的排放通量多数是在1至2.5微米的近红外线范围内。从后期M型、L型、T型序列的低温和递减的温度，结果是在近红外有着丰富的谱线和种类繁多的特点。从中性原子到广泛的分子带，所有的一切都在温度、重力和金属量上具有不同的依赖性和相对较窄的谱线。此外，在这些低温条件下，有利于冷凝气体的状态和晶粒的形成。

褐矮星大气的典型温度范围从2,200下降至750K 。相较于恒星，内部稳定的核聚变使自身暖起来，棕矮很快就结束并变得冰冷。质量大的褐矮星冷却得比质量小的缓慢。

观测的技术

行星的木星与褐矮星葛利泽229B和泰德1的大小比较。

日冕仪最近被用于检测环绕着明亮恒星的暗弱天体，包括葛利泽229B。

配备了灵敏的电子耦合装置（CCD）的望远镜已经用来寻遥远星团中暗弱的天体，包括泰德1。

广视野搜寻也已经确认一些独立的黯淡天体，像是距离30光年远的克鲁1。

在搜寻系外行星的巡天调查中，经常会发现褐矮星。系外行星侦测法对褐矮星也一样适用，而且还更为容易。

里程碑

1995:第一颗褐矮星被确认。泰德1是位于昴宿星团的一颗光谱类型为M8的天体，是被Instituto de Astrofísica de Canarias位于西班牙加那利群岛中的拉帕尔玛岛上的穆查丘斯罗克天文台使用CCD筛检出来的。

1998年：发现第一颗辐射出X射线的褐矮星。蝘蜓座α1是在蝘蜓座I暗星云内的一个M8天体，被测出是一个X射线源，类似于对流的晚期型星。

1999年12月15日：第一次检测到来自褐矮星的X射线闪焰。加州大学的一个团队使用钱卓X射线天文台监测LP 944-20（距离16光年，60木星质量），观察到2小时的闪焰。

2000年7月27日：第一次检测到褐矮星的无线电发射（在闪焰和静止期）。一个使用甚大天线阵研究LP 944-20的学生团队在2001年3月15日的自然杂志上发表了他们的成果。

2014年4月25日：发现已知最冷的褐矮星。WISE J085510.83-071442.5是距离地球7.2光年，是距离太阳第7近的一颗恒星，表面温度在-13℃至-48℃[NASA] 。

褐矮星和X射线源

钱卓X射线天文台拍摄的LP 944-20在闪焰发生前和发生之后的影像。

自从1999年检测到褐矮星的X射线闪焰，就建议改变有磁场的天体，将类似的低质量恒星也纳入其中。。

中心没有强大核能来源，褐矮星的内部是在快速沸腾，或对流的状态。当结合了大多数的褐矮星都展现出快速的自转，为对流建立了强而有力的发展条件，在表面附近纠结磁场。钱卓X射线天文台观测到来自LP 944-20的闪焰有可能起源自褐矮星表面下的湍流磁化热材料。部分表面的闪焰可以传导热进入大气层，使电流流动，产生X射线闪焰，就像发生闪电。在非燃烧期间缺乏来自LP 944-20的X射线也是一个值得注意的结果。它设置了最低能量以观测褐矮星产生的稳定X闪焰能量，并显示当褐矮星的表面温度低于2800K时，日冕不再出现，并成为电中性。

使用NASA的钱卓X射线天文台，科学家已经在一个多星系统中发现来自低质量褐矮星的X射线。这是第一次在靠近母恒星（类似太阳的恒星TWA 5A）的褐矮星解析出X射线来自日东京中央大学的坪井（Yohko tsuboi）说："我们的钱卓资料显示，X射线起源于褐矮星日面的等离子体，它们的温度高达300万℃" ，"这颗褐矮星的X射线亮得如同今天的太阳，但是它比太阳小了50倍" 。"因此，这种观测提高了巨大行星可能会在它们的青春期发出X射线的可能性！"