褐矮星
褐矮星
brown dwarf
褐矮星是构成类似恒星，但质量不够大，不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。其质量在恒星与行星之间。
褐矮星是处于最小恒星与最大行星之间大小的天体，由于这一原因褐矮星非常暗淡，要发现它们十分复杂，因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星，在确定它们围绕共同重心运行的参数之后，计算出这两颗褐矮星的重量和大小。
天文学家花了12年研究才发现这两颗褐矮星，总共观察了300多个夜晚和进行了1600次测量，结果计算出两颗相当年轻褐矮星（还不满100万年）全部必需的参数，它们位于离开地球1500光年的猎户星座。双星系统中较大一颗褐矮星直径超过木星50倍，而较小一颗褐矮星直径比木星大30倍，也就是说，它们的直径分别为太阳直径的70%和50%。尽管它们初看起来不算矮小，但是它们的质量分别仅为太阳质量的5.5%和3.5%。
天文学家还意外发现较轻褐矮星表面的温度更高些，虽然“普通”恒星的情形相反：恒星质量越大，它就越炽热。或许，引起这反常现象的原因在于某种物理作用过程，现代恒星结构理论没有考虑到这种物理作用过程（比如恒星的强烈磁场）。此外，这两颗褐矮星可能不是同时形成，也不是在同一地点形成，而是由于某种灾变而结合在一起，因此它们的表面温度不同，但是这一切暂时仍只是一种假设。
美国科学家利用美国宇航局的斯皮策红外线太空望远镜，发现了一颗环绕恒星作轨道运行的小型褐矮星（browndwarfstar），并直接获得了它的图像。他们表示，这是人类首次发现此种情景，但这种现象并不孤立。
研究报告的第一作者、美国宾州大学天文学和天体物理学系助理教授凯文·鲁荷曼说，在过去10年多的时间内，采用直接探测的方法，天文学家极其成功地寻找到了那些靠近恒星的行星。借助斯皮策红外线太空望远镜的红外探测能力，人们可以直接探测行星系外的温度极低的褐矮星（也称T矮星），甚至探测到大行星。
这颗被发现的T矮星名为HD3651B，位于双鱼座，其质量是木星的50倍。被其环绕的恒星其质量小于太阳，它的附近还有一颗质量略小于土星的行星。该行星的轨道呈极扁平椭圆形，科学家认为它具有如此轨道的原因是在外围作轨道运行的HD3651B的引力。过去，人们发现太阳系外的行星具有极扁平的轨道，并提出了隐藏在行星系中的其他天体（如T矮星）导致行星轨道呈现极端现象的理论。斯皮策红外线太空望远镜此次发现首次为该理论提供了证据。
研究人员表示，在发现HD3651B后，他们又接二连三地发现了其他T矮星。如在飞马座发现了HNPegB，它的质量为木星的20倍。同该星座中其他年龄达数10亿年的老褐矮星相比，这颗T矮星相当年轻，只有约3亿岁。
褐矮星被称为“失败的恒星”，它由于质量不足无法成为燃烧的恒星，但其质量仍远大于太阳系最大的行星木星。天文学家在这些古怪的星球上发现了巨大的类似行星的风暴，这种风暴足以与木星上的大红斑风暴媲美。由于褐矮星会随时间的推移冷却下来，该星球上气态的铁分子就会浓缩成液态的铁云和铁雨。随着进一步的冷却，巨大的风暴就会扫过这些云层，让明亮的红外线逃逸到宇宙中。
低质量恒星的观测和研究是近十年来恒星领域研究热点之一,褐矮星是其中最主要的一族,它们不属于恒星,也不属于行星,而是介于两者之间的天体.褐矮星的研究使我们对恒星与行星的本质有了更深刻的认识,并发现了延伸到主序下部更冷的L型和T型.褐矮星在银河系里数量可与主序星相比,但不是宇宙暗物质的主要成分.褐矮星的形成可能既不同于恒星也不同于行星,对它们形成的研究可以更透彻地理解恒星及行星的形成.
十年前，褐矮星还仅仅是天文学教科书中停留在理论上的天体，那时甚至还不知道这种质量介于巨行星和最低温矮星之间的天体是否存在。而今天，我们所面临的问题是如何来区分这些低质量天体。在最近一期的《天体物理学报》上，麦克雷（McLean）等人提出了基于褐矮星近红外光谱的统一分类方法。这一分类方法同时也提供了有关褐矮星的化学信息。
1995年发现了第一颗褐矮星Gl229 B。它比起红色的M型矮星（温度最低，质量最小的恒星）来更像是巨行星，亚恒星天体的特征十分明显。90年代后期，得益于大范围的红外巡天发现了大量的褐矮星。
褐矮星又可以再分成两类：L型和T型。L型褐矮星在光谱上比起巨行星更接近M型矮星，它包括了质量最小的恒星和质量最大的亚恒星天体。T型褐矮星则具有更类似于巨行星的光谱，但是质量则要比巨行星大得多。同时根据光谱中一些与温度有关的特征，褐矮星又可以从0（最高温）到8（最低温）分成9个亚类。现在已知的L型褐矮星大约有250颗，T型褐矮星大约有50颗。
最早，L型褐矮星的进一步分类是按照可见光的红光光谱进行的，而T型褐矮星的细分则依赖于近红外光谱。现在麦克雷等人使用凯克望远镜Ⅱ上的近红外分光仪对大约50颗左右的褐矮星进行了分析，提出了对L型褐矮星和T型褐矮星的统一分类方法。他们使用高质量的近红外光谱，通过比较Na、K、Ca、Al和Mg原子谱线的相对强弱以及水、一氧化碳、甲烷和FeH的谱带对褐矮星进行了分类。这一观测为L型褐矮星和T型褐矮星的光谱分类建立了一个框架。
由于褐矮星自身的小尺度（大小与木星相当）和低质量增加了探测褐矮星的难度，因此这些观测本身代表了很大的进步。褐矮星的质量最高只能达到太阳的7%（作为比较木星的质量是太阳的大约0.1%），还不足以启动和维持氢核聚变而成为恒星。如果褐矮星的质量超过13个木星质量就可以燃烧氘，但是氘燃烧所释放的能量和氢比起来微乎其微，而且对于质量最大的褐矮星来说氘燃烧的时间也不会超过1亿年。与之形成对比的是，在恒星中氢燃烧的时间可以持续几十亿年。褐矮星一生中所释放的能量绝大部分是其形成和收缩时所释放的引力能，同时褐矮星也终将会变冷而老去。
由于没有核聚变，褐矮星的表面温度不会超过3000K。褐矮星的温度越低，它的可见光波段的亮度就越小。M型矮星的辐射主要集中在红光波段（大约0.75μm），而温度更低的L型褐矮星（温度为1200-2000K）和T型褐矮星（温度为800-1200K）的辐射则主要集中在近红外波段（1-2μm），这使得褐矮星从本质上就会变得很暗弱。另外，褐矮星外层大气中的分子，例如水、一氧化碳、甲烷和氨，会吸收向外的辐射，使得褐矮星进一步变暗。这些因素使得寻找褐矮星成为了天文观测的一大挑战。
比起普通恒星中单原子离子和中性原子占主导的大气，褐矮星浓密而低温的大气更适合形成分子。什么气体出现在褐矮星大气的什么深度，这取决于温度、压力和元素丰度。与木星和太阳相似，褐矮星的主要元素是氢和氦，但是由微量元素形成的分子使得情况变得有所不同。水和一氧化碳的吸收主导了L型褐矮星的红外光谱，而甲烷的吸收则主导了T型褐矮星的红外光谱。事实上甲烷吸收线是证认Gl229 B为褐矮星的重要依据。当温度低于1200-1500K时，甲烷会比一氧化碳的丰度更高，而只有亚恒星天体才可能有这样低的温度。
也许褐矮星大气中最不同寻常的一点就是其中有云的存在。即使在温度最高的L型褐矮星大气中，难溶的氧化物、硅酸盐和液态金属也能形成云。褐矮星中云的形成和巨行星中云的形成很相似，行星科学家对此已经司空见惯了，他们根据引力作用使得物质在低温大气上方沉积而建立了不同大气层次中形成云的模型。但是如何区分巨行星、T型褐矮星和L型褐矮星中的云层数呢？
木星顶层的云中含有水、NH4HS和氨。下面是含有卤化物和硫的云层，然后是含有硅和铁的云层。木星最下方的云层则由耐高温的陶质物质（刚玉和钙钛化物）构成。在温度比木星高的T型褐矮星和L型褐矮星中，只有耐高温的云层才能得以保存，因此温度较高的褐矮星大气有点类似木星的深层大气。
云层上方的大气会变得很稀薄，因为有关的物质都会集中到云层中。例如，在最低温的M型矮星中极为明显的TiO和VO分子吸收线，在L型褐矮星中却消失了，因为这两种物质都进入了钙钛化物云层中。在L型褐矮星向M型矮星过渡时，也是由于相同的原因光谱中的Ca、Al和CaH线消失了。另外由于金属铁云吸收了气体中的铁，FeH吸收线在低温的L型褐矮星中也十分得微弱。在所有的L型褐矮星和最高温的T型褐矮星中都能探测到的碱金属原子谱线在低温的T型褐矮星中却消失得无影无踪，原因也是由于云层吸收了碱金属原子。
大气中这些成分的剧烈变化，会改变褐矮星光谱的特征。同时，云层也会阻挡褐矮星的光线，当然这取决于云层的高度。现在我们正在逐渐认识云层对褐矮星光谱的影响。
尽管褐矮星的光谱存在着复杂性，但是化学组成仍然是可以被识别出来的，而且也可以用来对褐矮星进行分类。现在还没有直接观测到比T8型褐矮星质量更小，温度比T8型褐矮星（有效温度大约为800K）更低的天体，来衔接褐矮星和木星（大约125K）。但是，业已升空的"斯皮泽"空间望远镜所具有的中红外观测能力也许能帮助我们找到这缺失的一环。
褐矮星的形成
关于褐矮星形成的机制天文学家们众说纷纭，比较常见的有抛射理论、前恒星核的光致侵蚀理论、不透明度制约的分裂理论、原恒星盘的不稳定性理论等。抛射理论认为，褐矮星是由于低质量的原恒星胚在还没有达到产生氢核聚变所需的质量前，与其它天体发生了碰撞而被抛射出前恒星核所形成的[5][6]，这一理论部分地得到了双褐矮星系统的证实。前恒星核的光致侵蚀理论基于大质量恒星的辐射对前恒星核的光致侵蚀作用，能够解释处于电离氢区中的褐矮星的形成机制。褐矮星也可能由大质量的原恒星盘在其它恒星的引力作用下发生碎裂而产生[7]。这些理论每个都只能解释部分褐矮星的形成，研究褐矮星周围的恒星盘可以有效地检验上述理论。
上述关于褐矮星与 木星 太阳 直径对比是有问题的。太阳直径是1，392，000 KM 木星直径142,984KM 所以上述较大褐矮星的直径不可能分别是木星的50倍和太阳的70%.
褐矮星是可以发生热核反应的，只是由于不激烈所以不会发光。但其红外辐射可以占到太阳的1~2‰左右，过于靠近它也有热能。