褐矮星为什么存在时间不长（颠倒乾坤褐矮星）

一颗恒星统领一群在轨道上按部就班运行的行星，这就是我们所处的恒星系统的运转方式，称不上独一无二，但似乎是宇宙中的普遍法则。然而褐矮星的发现颠覆了一切，介于恒星和行星之间，这些天体创造出无数个和太阳系截然相反的世界！

一个熊熊燃烧的太阳围绕另一个太阳运行……在某些奇异的恒星系统中，这并不是什么稀罕事！

1995年10月6日在科学史上是值得铭记的一天：天文学家迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）和米歇尔·麦耶（Michel Mayor）宣布，他们在太阳系外发现了一颗行星。这是人类头一次截获围绕着除太阳之外的恒星转动的天体的信号。此后，人们不断在茫茫太空中发现系外行星，至今已达1000多颗。它们有的呈粉色，有的由钻石构成，有的是表面环境如同炼狱的气态巨行星，有的则是在偏心轨道上运行的岩石星球……它们的形态之多超出想象，为探索者带来一次又一次惊喜。

然而，这些令人赞叹的成就却遮蔽了另一个更有里程碑意义的发现，真正的天文学革命正在别处发生。当世人的目光全被这些系外行星吸引，另一种更加颠覆认知的天体出现在了太空望远镜的视野中。同样是1995年，就在发现第一颗太阳系系外行星之后数星期，人们观测到了它。这一发现一开始几乎没有引起注意，或许是因为它的名字“褐矮星”太低调。这是一类全新的天体，体形中等，小于恒星，大于行星。起初，人们以为这只是宇宙大家庭的一个新成员而已，个头介于气态巨行星和恒星之间……但事情并不那么简单：目前发现的褐矮星已在数量上超过了系外行星，而且它们完全推翻了我们脑海中对太阳系外世界的想象。

人类用了好几个世纪才最终接受太阳系只不过是宇宙中不计其数的恒星系之一的事实，并认为太阳系一颗恒星位于正中、数个行星在轨道上绕行的恒星系统，可以放诸全宇宙而皆准……现在，微不足道的褐矮星又更新了我们的认知：太阳系并非独一无二，而且还有许许多多的恒星系和太阳系不一样，甚至可以说截然相反！行星围绕一个发光的恒星转动，这是我们司空见惯的景象，但还有很多别的可能，如一颗行星登上“王座”，在恒星缺阵的情况下有条不紊地指挥着天体芭蕾。另一种情况也不算少见，即通常气态行星所处的轨道上出现第二颗恒星围绕中央恒星公转……经典的宇宙理论分崩离析。

有些恒星系，行星位居中央

这些世界是诡异而晦暗的存在……一颗行星取代了恒星处于恒星系中央，其他行星——或为气态巨行星，或为较小的类地行星——在其周围形成并运转。然而中央行星的表面温度并不比地球气温来得高。它的大气层由甲烷、氨气以及水蒸气构成，甚至可能形成水滴，产生云雨。这种不伦不类的天体已被发现数百颗，下图所列仅是沧海一粟。它们具备行星的各种特征，却像恒星一样占据着“行星系”中央的王座。

需要重新定义的恒星系统

而更严重的问题在于，除了由行星和恒星这两种绝不相类的天体构成的恒星系（以太阳系为模板），我们就没有其他更好的恒星系模型了！行星和恒星的构成成分完全不一样。行星以岩石为核心，不会发光，质量至多达木星的数倍；而恒星就是一团等离子体，它们发射出波长不一的电磁波，质量至少是土星的80倍。行星和恒星的形成方式也截然不同。恒星诞生在气体云中，那其实就是漂浮在太空中的一团物质“果冻”。当气体云的质量接近太阳——所谓的“金斯质量”——时，它就会在自身重力的作用下坍缩，无比致密的核心催生出一个通过原子核聚变产生能量，并以光的形式释放能量的天体。至于行星，它们的前身是恒星形成后围绕恒星旋转的剩余物质，这些宇宙尘埃互相碰撞、聚集，最后形成了以岩石为内核的天体。每颗行星会因自身质量不同，或多或少地吸引周围气体，或者成为气态巨行星，或者成为较小的类地行星（由岩石和金属构成）。

有些恒星系，恒星在轨道上运行

这些世界是诡异而明亮的存在……在这些恒星系中，恒星伴随行星左右，一起在轨道上运转；它们和气态巨行星或小型类地行星一同诞生… …只是它们会刮起等离子体风暴，产生磁场。有些还能进行核聚变，放射出橘红色的光线。目前已发现几百个此类天体（图为其中6颗），它们拥有恒星的特质，却像行星一样围绕一个“太阳”转动。

奇怪的异类天体

因此，实施这一分类并不仅仅因为科学家有将一切事物分门别类的冲动，更因恒星与行星之间确实存在根本性的区别，无论是形态、构成，还是所处位置：恒星生于坍缩，行星则源自吸积；先有恒星，再有行星；恒星位于整个系统的中央，行星则散布在恒星周围。

诚然，20世纪六七十年代进行的一些研究已经设想过那些介于恒星和行星之间、与传统认知不符的中间天体的存在。天体物理学家曾计算过，如果一团质量较小的气体云发生坍缩，那么其内核温度有可能达不到300万摄氏度的阈值。在此情况下，氢核聚变将只是一种局部现象，不会涉及整个内核，因此没有什么可以阻止气体继续压缩：内核物质密度不断增大，电子互相靠拢，使得内核温度降低，这样便逐渐形成一个内核中不产生核聚变的稳定天体。它一方面有着近似恒星的密度和温度，只是不会像恒星一样发光；另一方面又是个气态巨行星般的“气球”，但会产生零星的核聚变，释放出微弱的光线。总之，这是一种介于太阳和木星之间的天体。不过鉴于理论不允许小型气体云坍缩，这些推论当时仅止于假设而已。“在一些特殊情况下，质量小于太阳的气体云也能发生坍缩。”格勒诺布尔天文台的相关专家菲利普·德洛姆（Philippe Delorme）指出，“但我们渐渐意识到，那并非特例……”

闻所未闻的多样性

使科学家产生动摇的是褐矮星的发现。先是一个，接着是十个、百个、千个——天文学家的最新统计是1281个。它们有些略大于木星，有些略小于太阳，可以说，以各种质量和体积实现了行星与恒星之间的过渡。根据目前的观测，科学家推断褐矮星的数量应与一般的行星及恒星不相上下。但应该怎么分类，该把它们算作巨行星还是矮星呢？一团浆糊。权威的国际性天文学联合会正在考虑更新专业名词：会发光的行星，或是被云团、水蒸气和灰尘包裹的恒星似乎都太不像样……

只要阅读一下近期发表的论文就能一窥端倪。数月前，美国宾夕法尼亚大学凯文·鲁赫曼（Kevin Luhman）团队在飞鱼座发现了一颗距离太阳63光年的褐矮星，它就像一颗恒星，位于所在恒星系的中央……但它的大气温度只有30℃！没有带电的喷射物，没有沸腾的等离子体，取而代之的或许是清风和云团。英国赫特福德大学的菲利普·卢卡斯（Philip Lucas）及其同僚则在麒麟座观测到了另一颗褐矮星，离地球13光年，它似乎被包裹在浓浓的甲烷和水蒸气中，也就是说，那里甚至能凝结出水滴！

这还没完。菲利普·德洛姆和他的团队最近有了截然相反的发现：绘架座里，一颗褐矮星围绕两颗红色小恒星转动，褐矮星的质量达恒星的十分之一。而法国国家太空研究中心对流旋转和行星横越任务（COROT）的成员在天鹰座发现一颗围绕黄巨星旋转的褐矮星，其质量之庞大，或许在它“年富力强”时也曾发光发热。林林总总，此类奇怪天体参与构成的系统之多，能写上数十页都不止……“这是些革命性的发现。”菲利普·德洛姆强调道，“我们为描绘太阳系的形成而想象出的理论，与这些观测完全不符。”我们的世界不再是唯一的标准，与太阳系共存的还有各种各样的系外恒星系：有些恒星系，处于中心位置的主星和“随侍”的行星一样暗淡无光；有些恒星系，行星也会发光，如同小号的恒星；有些恒星系，行星居中，反而是恒星绕行星运行。

一开始发现这些例外时，天文学家还试图拯救目前的宇宙体系假说。为了解释这些难以定义的天体，他们提出了“弹射机制”：在年轻的双星或三星系统中，某些恒星会由于同伴竞争的缘故停止生长，无法燃烧发光，最后被弹射出恒星系。“同样，为了解释某些恒星系中为何只有行星级的天体存在，我们可以认为恒星系中天体产生了碰撞，从而将部分天体弹出了恒星系。” 法国蔚蓝海岸天文台的亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli）补充道。这样一来，太阳系的有序运行得以保全：不同的世界只是混乱的产物，是一场太空桌球的结果。

反思旧模型

只是现在已经没多少人相信这种解释了。“弹射是有可能发生，它也能解释我们观测到的一些恒星系……但我认为，这种情况并不多见。”亚历山德罗·莫比德利总结道，“大量的此类观测迫使我们去寻找那些普遍机制。”再说这些剧烈的弹射也无法解释“由灰尘和气体组成的吸积盘，如太阳刚刚形成时出现的那种。我们在年轻的褐矮星周围也可观察到此类吸积盘”，菲利普·安德烈（Philippe André）指出，他在法国原子能和可替代能源委员会萨克雷中心专门从事恒星系形成的研究。

层出不穷的新发现令天文学家左支右绌，别无选择的他们只能拿旧体系开刀。他们必须找到能够促使小型气体云坍缩形成褐矮星的机制……在这方面，已经有了进展。在考虑了磁场以及分子云内部动荡这些因素之后，吉尔·夏布里尔（Gilles Chabrier）及其里昂高等师范学院的同僚于2008年完成了小质量内核的引力坍缩模拟。“现有模型已能模拟质量仅为木星数倍的恒星的形成过程。”美国加州大学天文学家亚当·布甘森尔（Adam Burgasser）介绍道。

好戏还在后头：科学家于不久前掌握了这一现象的观测证据。2012年7月，法国毫米波射电天文学研究所（IRAM）比尔高原上的干涉仪对准了蛇夫座ρ（心宿增四）的晦暗云团。这个区域之所以出名，是因为那里是众多恒星的诞生地。菲利普·安德烈和他的同事发现，在那里，质量约为木星20倍的气体和灰尘正在凝聚并坍缩成恒星，但其体积仅相当于一颗行星。“这是我们第一次目击一部分有足够密度的云团像制造恒星那样形成了一颗褐矮星。”菲利普·安德烈娓娓道来，“这个证据谈不上板上钉钉，但对我们的模型是个利好。”

而就在几个月前，瑞典斯德哥尔摩天文台的天文学家古斯塔·伽姆（Gosta Gahm）在玫瑰星云中发现了100多个暗淡云团，其中一些的质量是木星的13倍，它们也有可能制造褐矮星……与此同时，行星专家的模型表明，吸积作用也能产生质量是木星25倍的庞然大物。“这相对来说还挺容易。”亚历山德罗·莫比德利担保道，“模型能自动生成超大体积的行星。只是一直以来，我们都在想法子修正这个结果……”

更加匪夷所思的星系

值得一提的是，科学家发现的首批太阳系系外行星是围绕着脉冲星运行的。在1995年发现著名的飞马座51b（人类发现的第一颗系外行星）之前3年，天体物理学家首次发现了系外星系，它们被命名为PSR B1257 12A和PSR B1257 12C。和我们的世界不一样，它们的中心不是太阳，而是一颗以每圈1秒速度自转的脉冲星。这种天体诞生于大质量恒星的突然爆炸，爆炸将恒星的质量浓缩在一个直径为20千米的球体中，其核心是游离的中子，不受任何相互作用力的影响！此后，天文学家又相继观察到十多例小行星、彗星、行星绕白矮星运动的景象。作为恒星的残骸，白矮星同样密度惊人。到底是何种复杂机制使行星在恒星死亡时逃过一劫，或在恒星爆炸中诞生，专家对此一直争论不休。不过他们认为这样的极端星系只是凤毛麟角。

革命近在眼前

万事俱备。经过20年的观察和理论研究，褐矮星终是撕碎了人们对世界的美好假想。它的存在表明，木星般的天体完全可能与太阳拥有同样的生成机制，浩瀚的天空中也可以存在着只有行星、一片漆黑的“恒星系”。同时，它也表明恒星也可以像木星那样生成，光是恒星也可形成恒星系统。当然，凡事皆有局限，小如地球的行星是不可能居于恒星系中央的，而大如太阳的恒星也不会绕其他天体运转。“若质量不到木星的若干倍数的话，云团似乎就无法产生天体……但如果质量超过木星15倍，形成的天体也不可能围绕其他天体运转。”亚历山德罗·莫比德利解释道。但这都无妨革命来临：太阳系，带着所有位于中心的恒星以及在它们四周环绕的行星，自神坛退下。毕竟，它不再是界定恒星系的唯一准绳……

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