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何时此星非彼星?

与大多自然发生的事物一样,恒星大小不一。从云层到河流再到山脉,自然法则的鬼斧神工横跨巨大的维度——从潺潺而至的小溪到川流不息的尼罗河,从不起眼的小山丘到珠穆朗玛之巅。对许多事物而言孰大孰小并无明确的界限。类似“小山丘和大山有什么区别?”这样的问题之所以难解,是因为划分界限的主观性很强(甚至取决于你问的是谁)。但是恒星就不同了:确实有一个明确的临界点,达到之后的星体就算是恒星了。

就恒星而言,我们的太阳不算大,重量为200亿亿亿公斤(2×10 30 公斤,或者说两百“穰”,尽管我没见过多少人用这种单位)。为了避免使用这种离谱的数字,天文学家使用太阳作为标准单位:“太阳质量”。最大的恒星的重量远远超过100个太阳质量(这些巨型恒星的亮度可能是我们太阳的数百万倍,短短几百万年内就将其巨大的燃料消耗殆尽)。这种巨大的能量输出限制了恒星的大小:超过约150个太阳质量,引力和内部压力之间微妙的拉锯战就会失衡,引力败北,恒星就会开始自爆分裂。但是天平的另一端呢?恒星至少多重才能被称为恒星呢?

恒星中心的核聚变由压力驱动,这是由数万亿立方千米的恒星质——热等离子体——对核心施压引起的。小恒星施加在核心上的重量更轻:温度也会更低,核聚变反应也不会那么激烈。如果把太阳缩小,位于核心的“炉火”会越来越弱,直到约太阳质量的8%(约木星质量的80倍)——压力和温度会下降到临界点,氢核聚变反应完全淬灭。从某种意义上来说,这就是恒星的临界点。当气体星际云坍塌时,从雾中凝结出来的小且致密的物体会有不同的尺寸——任何超过太阳质量8%的物体都会点燃氢聚变并成为恒星,而任何小于该数值的准恒星,便无法点燃氢,无缘恒星名列,加入褐矮星行列。

褐矮星可能“星光之梦”未遂,但仍然有办法产生热。虽然其温度不足以聚合氢,但却可以聚合“氘”。氘是氢的表亲,由一个电子绕着一个质子和一个中子组成。这种“重氢”比普通的氢要更为罕见:在星际空间,每10万个氢原子中只有两个氘原子。但这种稀有的燃料足以在未遂恒星核中维持微弱的核反应。氘的聚变反应很弱:褐矮星的表面温度通常在几百到几千度区间。迄今为止发现的最冷的褐矮星是WISE 0855-0714,距离地球大约7光年,其表面温度大约在零下10度到零下50度之间。听起来就是汇聚各种矛盾的非常天体:有核聚变却能量不足的未遂恒星,表面温度却低于冰点。

褐矮星温度比恒星低许多,基本上不可能在可见光波段下观察。尽管自20世纪60年代以来,人们一直猜测其确实存在,但当时的红外捕捉技术尚未成熟,数十年来都无望验证。1994年人们才发现了第一颗褐矮星——格利泽229B(Gliese 299B),这是一颗围绕正常恒星(格利泽229)运行的褐矮星,距地球约19光年。随着20世纪90年代以来红外天文学的蓬勃发展,我们现已收录大量的未遂恒星(2MASS,2微米全天巡天计划,非常适合探测这些低温天体)。近期对恒星形成分子云的红外观测表明,褐矮星很可能和普通恒星一样常见,仅在银河系就有多达1000亿枚。值得回味的是,在人类几千年来熟知的恒星背后,竟然始终并存着大量阴暗的“失败恒星”群,数量与其可见的同伴相当。如果没有红外探测器,我们对它们的存在则一无所知。 7NmLrTGNuEzjj6UIFnmh4U+m3J5yqiCPC3XqwOCo3cZHOlQEpIotSjTXg0+IyD/G

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