天文小科普：什么是褐矮星？

褐矮星的质量比行星大，但是比恒星小。那具体是多大呢？

    质量大小是区分行星、褐矮星和恒星的关键。这张图片展示了这些天体质量的对比关系。

    恒星诞生时的质量决定了它的命运。恒星诞生之初就具有很大的质量——因此具有很强的自引力——所以恒星一直在挤压它自己，造成内部的高温高压，引发热核聚变反应，使得恒星能够发光发亮。另一方面，行星的质量比恒星小得多，引力较弱，因此行星内部不会发生聚变反应。它们主要依靠反射恒星的光来发光。而褐矮星的质量介于像木星和土星这样的巨行星和最小的恒星之间。

    我们可以说褐矮星是太阳质量的几分之几，但天文学家通常会用木星的质量作为单位质量，13个木星质量被认为是大型气体巨行星的质量上限。褐矮星的质量大于13个木星质量，在它的内部可能会发生一种简单的热核燃烧（聚变）——氘聚变。氘是宇宙大爆炸遗留下来的一种稀有元素，氢的同位素。80个木星质量是正常氢聚变反应（恒星发光过程）的下限值，大于此质量的天体可以被认为是恒星。

    因此，为了便于观察，褐矮星通常被定义为质量在13个到80个木星质量范围内的任何星体。

    但是这个故事还有很多…

    棕矮星是在外太空发现的众多天体中的一部分。这张照片显示的是猎户座星云的中心部分，这是我们银河系中一个相对较近的恒星形成区域。这张照片显示了一个大约4 * 3光年的区域。每个符号标识一对天体，天体是符号中心的单个光点。较厚的内圆表示原生体，较薄的外圆表示伴生体。红色表示行星;橙是褐矮星;黄色是棕矮星。每个符号旁边是一对哈勃望远镜的图像。左边的图片是原生体和伴生体的原始图像。左边的图像只显示了伴生体，通过一种特殊的图像处理技术将原生体的图像抠出来，将天体的图像分割成两部分。

什么是恒星？

    恒星是由来自受到某种扰动的原始星团的大量尘埃和气体凝聚而成的。各种各样的机制可以造成这种干扰。例如，来自遥远的超新星——或者正在爆炸的恒星——的冲击波可能会在几百年或几千年后，在许多光年之外的空间中扰乱原始云。星云失去了它的均匀性，密度稍高的区域(因此有更大的引力)开始吸引较轻的分子。

    当物质落入云中的密集区域时，它最终会达到临界质量；这颗恒星开始氘聚变和普通的氢聚变，产生氦-3分子。这种情况发生在较低的温度下(略低于1,000,000开尔文或1,800,000华氏度)。

    在核聚变开始的时候，我们可以用不同的方式来描述一颗恒星。现在，这颗恒星在其核心的聚变反应所产生的向外推力和自身重力所产生的向内推力之间保持着完美的平衡(不过是暂时的)。引力想要进一步挤压恒星，但是核聚变阻止了这种情况的发生。核聚变想要使恒星扩大，但引力不允许。结果是一个很好的平衡：一颗恒星。

    如果没有发生氘聚变，宇宙中很少有恒星的质量超过太阳的三倍。这是因为——如果氢聚变在质量和温度足够高的时候就开始了——此时恒星还没有足够的质量产生自身引力来抵抗氢聚变反应向外推的压力。恒星会膨胀，而这种膨胀会导致其内部温度下降，从而减缓并最终结束恒星发光所需的氢聚变反应。

    氘聚变使恒星保持足够的低温，使恒星有足够的时间积累足够的质量，所以当氢聚变开始时(大约1300万开尔文或2300万华氏度)，氢聚变可以持续。到那时，恒星的密度已经足够大，有足够的自我引力来抵抗膨胀，因此内部温度保持在较高的水平。

    在大多数情况下，只剩下一个主要的吸积物，形成以氢聚变为动力的恒星。在稠密的云层中，也有可能演化出第二星(双星)、第三星(三星)或第四星(四星)。事实上，也有一些非常复杂的系统，包括五颗、六颗和七颗星，它们分别被称为quintenary, sextenary, and septenary(点击每个数字来查看例子)。它们可以落入彼此环绕的轨道(尽管很复杂)，但仍然足够稳定，足以形成行星。

    比较小质量恒星，褐矮星和木星的总体尺寸。在这张图片中，褐矮星大约比木星大15%。

行星是什么？

    在恒星形成和氢聚变开始后，太阳风产生并将剩余的气体扫出星系。将会有几个初级阶段的吸积物，它们体积太大，无法被太阳风向外的压力推开。事实上，它们会向内落向向恒星。

    因为宇宙中所有的东西都有角动量——换句话说，因为星云是旋转的或旋转的——在最初的星云中聚集形成恒星的粒子将有一个倾向，沿一个长长的螺旋路径落向恒星。这就增加了它们的下落时间并因此增加了角速度，这就是为什么行星最终会以同一方向旋转(spinning)并围绕它们的恒星运行。

    由于碰撞和相互吸引改变了新形成的原行星的轨道，许多原行星会达到一个平衡点，并进入稳定的轨道。这些最终将成为真正的行星——无论是像地球或火星那样的岩石世界，还是像木星或土星那样的气态巨行星——通过它们自身的引力将原始星云中剩余的小碎片积累起来。

    行星是比恒星质量小得多的天体。这是一个艺术家的概念图，展示了开普勒-51星系中的3颗系外行星与我们太阳系中的一些行星的对比。

恒星和行星有什么区别?

    恒星是由原始星云中的气体和尘埃坍塌而形成的。因此，天文学家所称的金属的含量相对较低(对天文学家来说，金属物指的是任何比氢和氦重的元素)。恒星通常单独或作为一组类似天体的一部分运行。它们的质量足以在其核中引发氢聚变。

    行星是在恒星收集了大部分气态物质之后，积累原始星云中的残余物质形成的。行星的质量要比恒星小得多，因此引力要弱得多。像氢和氦这样的较轻元素在恒星中很常见，它们往往会逃离行星较弱的引力。因此，相对于恒星，行星的金属含量很高。行星通常绕着恒星旋转。根据天文学家对行星的最新定义，行星清除了自己轨道上的碎片。

    当然，我们实际上并不知道褐矮星长什么样。它们离我们很远，我们从来没有近距离看到过。但这是一幅名为Luhman 16A的关于褐矮星的艺术家构想图，它基于最近在其表面发现的和木星一样的条带的证据。

那会把褐矮星留在哪里？

    褐矮星像恒星一样积累物质，而不像行星。它们由气态云凝结而成——质量比行星高，因此有更强的引力——因此它们能比行星更有效地抓住较轻的元素(氢和氦)，因此金属含量相对较低。他们唯一的失败是没有收集到足够的物质来开始氢聚变，尽管他们可以维持氘聚变直到氘消失，而氘对于更大质量的恒星形成是至关重要的，正如前面解释的那样。

    人们已经发现棕矮星在1000个天文单位(AU)或更多的距离上绕着其他恒星旋转。一个AU =一个地日距离。然而，并不是所有的棕矮星都在远离恒星的轨道上旋转；已经发现有些在较近的距离上旋转，还有一些流氓棕矮星被发现，它们没有绕任何恒星运行，当然，这些棕矮星很难被发现!

    相比之下，在我们太阳系已知的行星中，海王星是距离太阳最远的主行星，它的轨道距离为30AU。

    所以棕矮星不是行星，它们是没能成为恒星，质量不足以为氢聚变反应提供动力。这样它们就有了自己的分类。

为什么是棕色？

    我们现在所说的棕矮星最早是在20世纪60年代由天文学家希夫·s·库马尔提出的，他最初称这些天体为黑矮星。他把它们描绘成自由漂浮在太空中的暗淡的亚恒星天体，它们的质量不足以维持氢聚变。后来，天文学家、搜寻地外文明计划研究员吉尔·塔特在她的博士论文中创造了“褐矮星”这个名字。她想要确定一个物体在开始氢聚变之前所能拥有的最大质量的上限，从而成为一颗成熟的恒星。

    恒星显然不是“棕色”的，许多这样的天体的温度在300至500开尔文(80至440华氏度，或人体体温及以上)之间，因此它们只辐射电磁谱中的红外部分。既然黑矮星已经被认为是在描述恒星演化的终点——红矮星也扮演了一个角色，作为小而冷的恒星的名字——棕色似乎是一个合适的妥协。

Nisan Gertz于2020年8月16日在以色列的拉蒙火山口拍摄到这张照片。

结论：棕矮星足够独特，足以有它们自己的分类。它们可以绕成熟的恒星运行，或其他棕矮星，或不绕任何恒星运行。棕矮星必须有一定的质量。为了便于观察，褐矮星通常被定义为质量大于13个、小于80个木星质量范围内的星体。