暗恒星是一種恒星。2008年12月14日，美國科學(xué)家稱，他們最近在銀河系中發(fā)現(xiàn)了兩顆迄今亮度最暗的恒星，亮度僅相當(dāng)于太陽亮度的百萬分之一。
簡介
據(jù)國外媒體報(bào)道，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家伯加瑟爾負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究，據(jù)他介紹稱，“這兩兩顆恒星是我們所知道的所有恒星中光線最弱的兩顆。通過這種微弱的特征，我們希望能夠發(fā)現(xiàn)其他更多的褐矮星。因此從某種意義上講，這兩顆應(yīng)該算是這些最‘常見’褐矮星中最早被發(fā)現(xiàn)的，而其他的褐矮星暫時(shí)還沒有被發(fā)現(xiàn)，僅僅是因?yàn)樗鼈兊墓饩€實(shí)在是太弱了。這對(duì)褐矮星之所以被發(fā)現(xiàn)，也是因?yàn)樗鼈兺黄屏怂鼈儼l(fā)光功率的上限，其亮度相當(dāng)于太陽亮度的百萬分之一。”
天文學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為，這對(duì)昏暗的“燈泡”僅僅是一顆單一的褐矮星。但是，在伯加瑟爾利用美國航空航天局的“斯皮策”紅外線太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到這種褐矮星后，科學(xué)家們終于首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)褐矮星的微弱光線和低溫的精確測(cè)量。“斯皮策”太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，這一看起來像一顆單一褐矮星的物體，其實(shí)是一對(duì)“雙子星”。它們被命名為“2M0939”。伯加瑟爾認(rèn)為，研究這些星體可以幫助天文學(xué)家們弄清褐矮星的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過程。早期研究表明，若干個(gè)中等尺寸的褐矮星被行星形成前的圓盤所包圍，但天文學(xué)家使用地基望遠(yuǎn)鏡很難研究這種盤狀物。同褐矮星發(fā)出的紅外輻射相比，這些圓盤顯得十分暗淡，而“斯皮澤”紅外太空望遠(yuǎn)鏡解決了上述問題。“斯皮澤”望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測(cè)長波紅外光十分靈敏。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)褐矮星周圍的圓盤僅曝光20秒，就發(fā)現(xiàn)了圓盤的蹤跡。
觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該物體表面大氣層的溫度介于華氏560到680度之間。它比木星高出好幾百度，卻又比恒星冷得多。實(shí)際上，這兩顆褐矮星也是到目前為止所測(cè)量出來的溫度最冷的褐矮星。為了計(jì)算出該星的亮度，研究人員必須首先要確定其與地球的距離。經(jīng)過三年的精確測(cè)量，科學(xué)家們終于測(cè)出了“2M0939”的位置。它距離“唧筒座”大約17光年，是距離地球最近的五顆褐矮星之一。這一測(cè)量數(shù)據(jù)也可以作為其低溫和光線極其暗淡的解釋。但令人費(fèi)解的是，根據(jù)其溫度推測(cè)，“2M0939”的亮度卻又比一般褐矮星預(yù)想的亮度高出一倍。這又如何解釋呢？科學(xué)家們認(rèn)為，該星肯定比其他褐矮星表面積也大一倍。換句話說，它是“雙子星”，每個(gè)星體負(fù)責(zé)一半的亮度，每個(gè)星體質(zhì)量都是木星質(zhì)量的30到40倍。它們的亮度僅是太陽亮度的百萬分之一。
褐矮星是介于最小恒星與最大行星之間的天體，由于這一原因褐矮星的亮度非常暗淡，要發(fā)現(xiàn)它們十分復(fù)雜，因此要確定它們的大小就更加復(fù)雜。但是最近天文學(xué)家成功地發(fā)現(xiàn)了組成雙星系統(tǒng)的兩顆褐矮星，在確定它們圍繞共同重心運(yùn)行的參數(shù)之后，計(jì)算出這兩顆褐矮星的重量和大小。褐矮星被稱為“失敗的恒星”，它由于質(zhì)量不足無法成為燃燒的恒星，但其質(zhì)量仍遠(yuǎn)大于太陽系最大的行星木星。天文學(xué)家在這些古怪的星球上發(fā)現(xiàn)了巨大的類似行星的風(fēng)暴，這種風(fēng)暴足以與木星上的大紅斑風(fēng)暴媲美。由于褐矮星會(huì)隨時(shí)間的推移冷卻下來，該星球上氣態(tài)的鐵分子就會(huì)濃縮成液態(tài)的鐵云和鐵雨。隨著進(jìn)一步的冷卻，巨大的風(fēng)暴就會(huì)掃過這些云層，讓明亮的紅外線逃逸到宇宙中。
關(guān)于褐矮星形成的機(jī)制天文學(xué)家們眾說紛紜，比較常見的有拋射理論、前恒星核的光致侵蝕理論、不透明度制約的分裂理論、原恒星盤的不穩(wěn)定性理論等。拋射理論認(rèn)為，褐矮星是由于低質(zhì)量的原恒星胚在還沒有達(dá)到產(chǎn)生氫核聚變所需的質(zhì)量前，與其它天體發(fā)生了碰撞而被拋射出前恒星核所形成的，這一理論部分地得到了雙褐矮星系統(tǒng)的證實(shí)。前恒星核的光致侵蝕理論基于大質(zhì)量恒星的輻射對(duì)前恒星核的光致侵蝕作用，能夠解釋處于電離氫區(qū)中的褐矮星的形成機(jī)制。褐矮星也可能由大質(zhì)量的原恒星盤在其它恒星的引力作用下發(fā)生碎裂而產(chǎn)生。這些理論每個(gè)都只能解釋部分褐矮星的形成，研究褐矮星周圍的恒星盤可以有效地檢驗(yàn)上述理論。
最早的星體
對(duì)于科學(xué)家們來說，原始恒星依然是一個(gè)謎，因?yàn)樗鼈兪菬o法被直接觀測(cè)到的。所以，人們只能以已知恒星為藍(lán)本對(duì)原始恒星的形成過程進(jìn)行推測(cè)。在這一藍(lán)本中，神秘的暗物質(zhì)所發(fā)揮的作用非常有限。不過，最近有一位美國的女天體物理學(xué)家提出了一項(xiàng)大膽的假設(shè)：這些巨型原始天體奇異光輝的核心，可能就是暗物質(zhì)。
想象一下這個(gè)場(chǎng)景吧：在130多億年前，我們的宇宙尚在幼齒之年，后來的諸多星系在當(dāng)時(shí)仍不過是些充滿塵埃的星云，然而在這些星云的中心卻閃耀著一些比我們的太陽重1000倍、大2000倍、亮100萬倍的氣團(tuán)！這些天體龐大無比、前所未聞，可謂是當(dāng)時(shí)那個(gè)正在孕育的世界中的燈塔——因?yàn)樗鼈兪悄瞧薨当涞目臻g里唯一的光源。為我們描述原始宇宙這一恢弘景象的，是密歇根大學(xué)的一位女物理學(xué)家凱瑟琳·弗里茲（Katherine Freese）。這位腦子里裝滿方程式的科學(xué)家一直在宇宙初年的黑暗角落里不懈探索，最終找到了一個(gè)獨(dú)特的視角，顛覆了天體物理學(xué)家們此前一貫的看法。她的研究工作使她確信，最早照亮宇宙的天體就是盤踞在塵埃星云核心的這些巨型星體，它們出現(xiàn)于大爆炸發(fā)生2億年之后。她將這些巨型星體命名為“暗恒星”。這一命名有其道理：這些星體之所以能發(fā)出如此不同尋常的光輝，是因?yàn)樗鼈兗橙×艘环N后來任何恒星都無法利用的能量——它們內(nèi)部暗物質(zhì)粒子衰變產(chǎn)生的能量。
這可以說是奇怪的假設(shè)。因?yàn)椋袊?yán)謹(jǐn)?shù)奶祗w物理學(xué)家都認(rèn)為，宇宙中的恒星之所以都會(huì)發(fā)光，是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^核聚變反應(yīng)消耗著氫，而不是消耗暗物質(zhì)。其次，這還是一個(gè)極其大膽的假設(shè)，因?yàn)橹钡浇裉欤€沒有任何人通過任何探測(cè)器觀測(cè)到這種著名的奇異物質(zhì)粒子的任何蹤影——而這恰是它被稱為暗物質(zhì)的原因。然而，科學(xué)界可以說是別無選擇地接受了這種假想的未知能量物質(zhì)的存在。因?yàn)椋绻淮嬖冢锢韺W(xué)家們（包括他們所使用的阿爾伯特·愛因斯坦描繪萬有引力效應(yīng)的相對(duì)論）就無法解釋星系的自轉(zhuǎn)、超星系團(tuán)的自轉(zhuǎn)以及宇宙大結(jié)構(gòu)的形成。通過創(chuàng)造暗物質(zhì)這一概念并賦予其一些能夠解釋宇宙大運(yùn)動(dòng)的引力效應(yīng)，上述謎團(tuán)就能得到一個(gè)可以接受的解釋。當(dāng)然接受的前提是不要對(duì)數(shù)據(jù)過于計(jì)較：因?yàn)橄嚓P(guān)計(jì)算顯示暗物質(zhì)應(yīng)該占到宇宙物質(zhì)總量的85%！然而，正是暗物質(zhì)的這種普遍存在性促使凱瑟琳·弗里茲提出了“暗恒星”的設(shè)想。“暗恒星”就這樣橫空出世、轟然而來，要闖進(jìn)天體物理學(xué)的殿堂了。雖然很難想象如此久遠(yuǎn)的天空是什么樣子，天體物理學(xué)家們還是認(rèn)為最早的恒星應(yīng)該出現(xiàn)得很快，而且就是在它們的內(nèi)部產(chǎn)生了那些成為后來恒星形成基礎(chǔ)的重元素。但是，由于無法通過望遠(yuǎn)鏡對(duì)它們進(jìn)行直接的觀測(cè)——目前搜集到的最遙遠(yuǎn)的畫面顯示的是大爆炸之后6億年也即最早的恒星出現(xiàn)4億年之后各星系的樣子——因而他們難以對(duì)這些原始天體的性質(zhì)作出推測(cè)。根據(jù)現(xiàn)在公認(rèn)的理論，暗物質(zhì)在原始恒星的形成過程中只是被動(dòng)地發(fā)揮作用：正是在這種無形物質(zhì)高度聚集的那些區(qū)域即暈輪之中，原始恒星得以成形。普通物質(zhì)——主要是氫——受到朝向這種暈輪中心的引力吸引而漸漸集中起來，這種集中收縮一直持續(xù)到其密度足以觸發(fā)核反應(yīng)，而核反應(yīng)釋放的能量便會(huì)將星體點(diǎn)亮并阻止其發(fā)生塌意外的結(jié)果。
但是，暗物質(zhì)真的只是被動(dòng)地發(fā)揮了這樣一種催化作用嗎？沒有人能說得清楚。凱瑟琳·弗里茲解釋說：“雖然我們知道最早的恒星是暈輪內(nèi)暗物質(zhì)施加的引力產(chǎn)生的結(jié)果，但還沒有人具體研究過這種暗物質(zhì)是以何種方式對(duì)這些原始天體內(nèi)部的力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生影響的。”不過，多虧了這位粒子天體物理學(xué)的專家，這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)完成……還得到了一個(gè)出人意料的結(jié)果。根據(jù)她和合作者們的理論運(yùn)算，普通物質(zhì)在暗物質(zhì)引力作用下，向暈輪中心的坍塌反過來又產(chǎn)生了一種能將更多的暗物質(zhì)吸引進(jìn)來的引力。當(dāng)然，這種奇異物質(zhì)不會(huì)超過將要形成的恒星質(zhì)量的1%，但其密度最終能夠達(dá)到足以使構(gòu)成它的粒子開始相互碰撞的程度。而物理學(xué)家們最時(shí)髦的模型對(duì)這些神秘粒子的描繪與對(duì)它們的反粒子的描繪是相同的：當(dāng)其中兩個(gè)粒子相遇，就必然會(huì)導(dǎo)致它們完全湮沒在一場(chǎng)壯觀的光能爆發(fā)之中。結(jié)果便是：當(dāng)形成中的恒星還只是一個(gè)巨大的、稀薄的尚無法催生核聚變進(jìn)程的氫氣球時(shí)，暗物質(zhì)粒子的這種湮沒就足以點(diǎn)燃星體并阻止這團(tuán)氣體云的坍塌。理論上，一顆暗恒星便這樣誕生了！而這種暗恒星的特性與現(xiàn)有的傳統(tǒng)模型推算出的原始恒星的特性是根本不同的，令人難以想象……暗恒星的“暗”，只不過是它的名稱而已。根據(jù)這位美國女科學(xué)家的計(jì)算，它的顏色介乎黃色與橙色之間，非常類似于太陽，卻比太陽要亮得多。通過將越來越多的物質(zhì)吸引進(jìn)來，暗恒星很快就變成了一個(gè)有著將近1000個(gè)太陽質(zhì)量的龐然大物，其半徑則幾乎達(dá)到30億公里，相當(dāng)于太陽到天王星之間的距離！“相比之下，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)描繪的原始恒星盡管質(zhì)量也相當(dāng)大，但至多不會(huì)超過百余個(gè)太陽質(zhì)量，而且要熱得多，因?yàn)樗鼈兊念伾咏{(lán)色。”凱瑟琳·弗里茲強(qiáng)調(diào)。
這一源自一位女科學(xué)家想象的發(fā)現(xiàn)盡管十分迷人，但這些奇異的星體是否真的存在過，仍有待評(píng)定。法國原子能委員會(huì)天體物理處的羅曼·泰西耶（Romain Teyssier）認(rèn)為：“顯然，原始恒星在形成過程中吸收了暗物質(zhì)。問題是要搞清楚暗物質(zhì)的量是否大到足夠?qū)е逻@些恒星發(fā)生燃燒。凱瑟琳·弗里茲的研究以暗物質(zhì)的吸積進(jìn)程作為基礎(chǔ)，而這種吸積在目前來說純粹只是理論上的一種設(shè)想。我并不是說它們是錯(cuò)的，但它們確實(shí)尚待證實(shí)。”美國得克薩斯大學(xué)天文學(xué)系的沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）補(bǔ)充道：“這種暗恒星的構(gòu)想很有趣，值得認(rèn)真對(duì)待。不過，由于缺乏直接的觀測(cè)，我們還不能絕對(duì)確信暗物質(zhì)的屬性。即便凱瑟琳·弗里茲提到的那些屬性很值得贊同。”
巴黎高等師范學(xué)院天文射線實(shí)驗(yàn)室的帕特里克·艾納貝爾（Patrick Hennebelle）也持有同樣的觀點(diǎn)，他進(jìn)一步指出：“盡管我們對(duì)暗物質(zhì)的屬性不甚清楚，但這對(duì)于整個(gè)原始宇宙研究還是有價(jià)值的。現(xiàn)在，暗恒星成為了可以探討的課題。要知道，黑洞和白矮星在被實(shí)際觀測(cè)到以前也曾經(jīng)被視作奇談怪論！”法國阿訥西－勒－維厄粒子物理實(shí)驗(yàn)室的皮埃爾·薩拉蒂（Pierre Salati）則建議：“或許應(yīng)該設(shè)想這樣一個(gè)原始宇宙：其中既有暗恒星，也有傳統(tǒng)理論所說的原始恒星。暗恒星是在。”
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