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 褐矮星(Brown dwarf)質量約為木星5~90倍之間。與一般恆星不同,褐矮星由質量不足,其核心並不會融合氫原子來發光發熱,無法成為主序星。但它們的內部及表面均呈對流狀態,不同的化學物質並不會在內部分層存在。現時人們仍在研究褐矮星在過往是否曾經在某位置發生過核聚變,已知的是,質量大於木星的13倍的褐矮星可融合氘。

1 棕矮星 -褐矮星簡介

  褐矮星(Brown dwarf)質量約為木星5~90倍之間。與一般恆星不同,褐矮星由質量不足,其核心並不會融合的氫原子來發光發熱,無法成為主序星。但它們的內部及表面均呈對流狀態,不同的化學物質並不會在內部分層存在。現時人們仍在研究褐矮星是否曾經在某位置發生過核聚變,已知的是,質量大於木星13倍的褐矮星可融合氘。
褐矮星

2 棕矮星 -褐矮星形成

  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。
  上述關於褐矮星與 木星 太陽 直徑對比是有問題的。太陽直徑是1,392,000 KM 木星直徑142,984KM 所以上述較大褐矮星的直徑不可能分別是木星的50倍和太陽的70%.
  褐矮星是可以發生熱核反應的,只是由於不激烈所以不會發光。但其紅外輻射可以佔到太陽的1~2‰左右,過於靠近它也有熱能。

3 棕矮星 -褐矮星發現歷程

  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,它們位於離開地球1500光年的獵戶星座。雙星系統中較大一顆褐矮星直徑超過木星50倍,而較小一顆褐矮星直徑比木星大30倍,也就是說,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。
  研究人員表示,在發現HD3651B后,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。
  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。
  低質量恆星的觀測和研究是近十年來恆星領域研究熱點之一,褐矮星是其中最主要的一族,它們不屬於恆星,也不屬於行星,而是介於兩者之間的天體.褐矮星的研究使我們對恆星與行星的本質有了更深刻的認識,並發現了延伸到主序下部更冷的L型和T型.褐矮星在銀河系裡數量可與主序星相比,但不是宇宙暗物質的主要成分.褐矮星的形成可能既不同於恆星也不同於行星,對它們形成的研究可以更透徹地理解恆星及行星的形成.
  十年前,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。在最近一期的《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。
  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。
  褐矮星又可以再分成兩類:L型和T型。L型褐矮星在光譜上比起巨行星更接近M型矮星,它包括了質量最小的恆星和質量最大的亞恆星天體。T型褐矮星則具有更類似於巨行星的光譜,但是質量則要比巨行星大得多。同時根據光譜中一些與溫度有關的特徵,褐矮星又可以從0(最高溫)到8(最低溫)分成9個亞類。現在已知的L型褐矮星大約有250顆,T型褐矮星大約有50顆。
  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。現在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。
  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。
  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。
  比起普通恆星中單原子離子和中性原子佔主導的大氣,褐矮星濃密而低溫的大氣更適合形成分子。什麼氣體出現在褐矮星大氣的什麼深度,這取決於溫度、壓力和元素丰度。與木星和太陽相似,褐矮星的主要元素是氫和氦,但是由微量元素形成的分子使得情況變得有所不同。水和一氧化碳的吸收主導了L型褐矮星的紅外光譜,而甲烷的吸收則主導了T型褐矮星的紅外光譜。事實上甲烷吸收線是證認Gl229 B為褐矮星的重要依據。當溫度低於1200-1500K時,甲烷會比一氧化碳的丰度更高,而只有亞恆星天體才可能有這樣低的溫度。
  也許褐矮星大氣中最不同尋常的一點就是其中有雲的存在。即使在溫度最高的L型褐矮星大氣中,難溶的氧化物、硅酸鹽和液態金屬也能形成雲。褐矮星中雲的形成和巨行星中雲的形成很相似,行星科學家對此已經司空見慣了,他們根據引力作用使得物質在低溫大氣上方沉積而建立了不同大氣層次中形成雲的模型。但是如何區分巨行星、T型褐矮星和L型褐矮星中的雲層數呢?
  木星頂層的雲中含有水、NH4HS和氨。下面是含有鹵化物和硫的雲層,然後是含有硅和鐵的雲層。木星最下方的雲層則由耐高溫的陶質物質(剛玉和鈣鈦化物)構成。在溫度比木星高的T型褐矮星和L型褐矮星中,只有耐高溫的雲層才能得以保存,因此溫度較高的褐矮星大氣有點類似木星的深層大氣。
  雲層上方的大氣會變得很稀薄,因為有關的物質都會集中到雲層中。例如,在最低溫的M型矮星中極為明顯的TiO和VO分子吸收線,在L型褐矮星中卻消失了,因為這兩種物質都進入了鈣鈦化物雲層中。在L型褐矮星向M型矮星過渡時,也是由於相同的原因光譜中的Ca、Al和CaH線消失了。另外由於金屬鐵雲吸收了氣體中的鐵,FeH吸收線在低溫的L型褐矮星中也十分得微弱。在所有的L型褐矮星和最高溫的T型褐矮星中都能探測到的鹼金屬原子譜線在低溫的T型褐矮星中卻消失得無影無蹤,原因也是由於雲層吸收了鹼金屬原子。
  大氣中這些成分的劇烈變化,會改變褐矮星光譜的特徵。同時,雲層也會阻擋褐矮星的光線,當然這取決於雲層的高度。現在我們正在逐漸認識雲層對褐矮星光譜的影響。
  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。現在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,業已升空的"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。

4 棕矮星 -褐矮星最新研究

  英國赫特福德郡大學的菲利普-盧卡斯(Philip Lucas)和他的同事發現了這顆褐矮星,它被命名為「UGPS 0722-05」,它釋放出紅外放射性光線。它與地球的距離僅9.6光年,這一距離是地球與比鄰星(Proxima Centauri)的兩倍,比鄰星是除太陽之外距離地球最近的恆星。
  目前,「UGPS 0722-05」褐矮星是第七個距離太陽最近的恆星或恆星體系。美國喬治亞州大學恆星研究員托德-亨利(Todd Henry)說:「這項發現就如同它的溫度一樣酷!」
  盧卡斯和他的同事們提示稱,這顆褐矮星的距離仍是初步評估值。該評估是基於「視差法」,在未來幾個星期內,新的視差觀測方法將進一步測定這顆褐矮星與地球之間的距離。如果當前測定的距離是正確的,那麼「UGPS 0722-05」 將是迄今為止距離地球最近的褐矮星,之前該記錄保持者是位於Epsilon Indi恆星附近的一對褐矮星,它們與地球相距11.8光年。
  除此之外,這顆褪矮星還是另一項記錄保持者,它是迄今發現最冷的褐矮星,其溫度僅保持在130-230攝氏度之間,它十分昏暗,所噴射熱量僅是太陽熱量的百分之0.000026,其能量釋放主要聚集在紅外線波段,而不是可見光波段。也就是說380萬顆這樣的褐矮星才相當於一顆太陽,它的體積與木星差不多,但質量卻是木星的5-30倍。
  「UGPS 0722-05」的光線昏暗特徵可以解釋為什麼它直到目前才被探測到,儘管它十分靠近地球。這項研究暗示著很可能更多未探測到的褐矮星潛伏在地球周圍。

5 棕矮星 -附表

部分褐矮星列表

  
公轉恆星星座赤經赤緯離地球距離 (ly)光譜類型恆星質量
(MJ)
公轉周期
(d)
離母恆星平均距離
(AU)
軌道離心率軌道請斜角
(度)
發現年數
HD 8673仙女座01 26 09+34° 34′ 47″124.75F7VHD 8673b146391.58

2005
HD 13189三角座02 09 40+32° 18′ 59″603.4K2IIHD 13189b14471.61.850.28
2005
HD 18445天爐座02 57 13–24° 58′ 30″83.92K2VHD 18445b39554.670.90.54
1991
BD-04 782波江座04 15 10–04° 25′ 06″66.6K5VHD 18445b21240.920.70.28
1996
XO-3鹿豹座04 21 53+57° 49′ 01″660F5VXO-3b13.243.19154260.04760.21979.052007
HD 283750金牛座04 36 48+27° 08′ 00″53.81K2VHD 283750b501.790.0250.02
1996
HD 29587英仙座04 41 34+42° 07′ 25″146.77G2VHD 29587b401471.72.50.37
1996
HD 38529 A獵戶座05 46 34+01° 10′ 05″138G4IVHD 38529c372174.33.680.361602002
HD 41004 B繪架座05 59 50–48° 14′ 23″139M2HD 41004b18.41.32830.01770.081
2004
Gliese 229天兔座06 10 35–21° 51′ 42″19M1VGliese 229B40200 y40

1995
AB 繪架座繪架座06 19 12–58° 03′ 15″149K2VAB 繪架座 b13.5
275

2005
τ雙子座雙子座07 11 08+30° 14′ 43″302K2IIIτ雙子座 b18.1305


2004
G 196-3大熊座10 04 22+50° 23′ 23″>50.2M2.5G 196-3 b25
300

1998
HD 89707長蛇座10 20 50–15° 28′ 48″81.54G1VHD 89707 b54298.25
0.95
1991
ChaHα8堰蜒座11 07 48?77° 40′ 08″522M6.5ChaHα8 b181590.910.49
2007
HD 98230大熊座11 18 12+31° 32′ 15″25.11F8.5VHD 98230 b373.980.060
1931
CD-33 7795長蛇座11 31 55–34° 36′ 17″163.08M1CD-33 7795b20
100

1998
NGC 4349-127南十字座12 24 08?61° 52′ 18″7097
NGC 4349-127b19.8677.82.380.19
2007
HD 110833獵犬座12 44 16+51° 45′ 40″55.44K3VHD 110833b17270.040.80.69
1996
HD 112758室女座12 59 03–09° 50′ 03″53.81K0VHD 112758b35103.220.350.16
1996
HD 140913北冕座15 45 07+28° 28′ 12″156.42G0VHD 140913b46147.940.540.61
1996
GQ 豺狼座豺狼座15 49 12–35° 39′ 03″400K7eVGQ 豺狼座 b1-42
103

2005
HD 162020天蠍座17 50 38–40° 19′ 06″101.95K2VHD 162020b13.738.4281980.0720.277
2000
u蛇夫座蛇夫座17 59 01?09° 46′ 25″152.8K0IIIu蛇夫座b21.9536


2004
HD 164427望遠鏡座18 04 43?59° 12′ 35″127.52G4IVHD 164427b46108.550.460.55
2000
HD 168443巨蛇座18 20 04–09° 35′ 34″123.5G5HD 168443c341739.52.870.2281502001
SCR 1845-6357孔雀座18 45 03?63° 57′ 48″12.57M8.5VSCR 1845-6357b9-65
4.5

2006
15天箭座天箭座20 04 06+17° 04′ 13″57.7G1V15天箭座B65
14

2002
HD 202206摩羯座21 14 58–20° 47′ 20″151.14G6VHD 202206 b17.4255.870.830.435
2000
ε印第安座印第安座22 03 22–56° 47′ 09″11.8K5Vε印第安座Bb2815 y2.65

2003
ε印第安座印第安座22 03 22–56° 47′ 09″11.8K5Vε印第安座Ba471459 y


2003
HD 217580寶瓶座23 01 52–03° 50′ 55″58.7K4VHD 217580b60454.6610.52
1994
獨立褐矮星列表

  
褐矮星所在星座赤經赤偉距離 (ly) 光譜類型質量
(MJ)
發現年數
金牛座1金牛座03 47 18+24° 22′ 31″380M8551995
OTS 44堰蜒座11 10 12–76° 32′ 13″554M9.5V15
不確定褐矮星列表

  
公轉恆星星座赤經赤緯離地球距離 (ly)光譜類型恆星質量
(MJ)
公轉周期
(d)
離母恆星平均距離
(AU)
軌道離心率軌道請斜角
(度)
發現年數
Gliese 22仙后座00 32 27+67° 14′ 09″326M2.5VGliese 22b16~5500
0
2008
HD 3346仙女座00 36 46+44° 29′ 19″655.58K5IIIHD 3346c606502.5

1996
HD 68988大熊座08 18 22+61° 27′ 38″189G0HD 68988c15127006

2006
OGLE-TR-109船底座10 53 41–61° 25′ 15″8450
OGLE-TR-109b<140.5891280.016
772002
HD 100546蒼蠅座11 33 25–70° 11′ 41″337.25B9VneHD 100546b20
6.5?


HD 104304室女座12 00 44−10° 26′ 46″42.1G9HD 104304b17.22752
0.38
2007
CM 天龍座天龍座16 34 27+57° 09′ 00″48M4CM 天龍座b64730.27

1998
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