褐矮星的質(zhì)量比行星大，但是比恒星小。那具體是多大呢？

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質(zhì)量大小是區(qū)分行星、褐矮星和恒星的關(guān)鍵。這張圖片展示了這些天體質(zhì)量的對(duì)比關(guān)系。圖片來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局與加州理工學(xué)院共同建立的紅外數(shù)據(jù)處理分析中心的R. Hurt。

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恒星誕生時(shí)的質(zhì)量決定了它的命運(yùn)。恒星誕生之初就具有很大的質(zhì)量——因此具有很強(qiáng)的自引力——所以恒星一直在擠壓它自己，造成內(nèi)部的高溫高壓，引發(fā)熱核聚變反應(yīng)，使得恒星能夠發(fā)光發(fā)亮。另一方面，行星的質(zhì)量比恒星小得多，引力較弱，因此行星內(nèi)部不會(huì)發(fā)生聚變反應(yīng)。它們主要依靠反射恒星的光來(lái)發(fā)光。而褐矮星的質(zhì)量介于像木星和土星這樣的巨行星和最小的恒星之間。

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我們可以說(shuō)褐矮星是太陽(yáng)質(zhì)量的幾分之幾，但天文學(xué)家通常會(huì)用木星的質(zhì)量作為單位質(zhì)量，13個(gè)木星質(zhì)量被認(rèn)為是大型氣體巨行星的質(zhì)量上限。褐矮星的質(zhì)量大于13個(gè)木星質(zhì)量，在它的內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生一種簡(jiǎn)單的熱核燃燒（聚變）——氘聚變。氘是宇宙大爆炸遺留下來(lái)的一種稀有元素，氫的同位素。80個(gè)木星質(zhì)量是正常氫聚變反應(yīng)（恒星發(fā)光過(guò)程）的下限值，大于此質(zhì)量的天體可以被認(rèn)為是恒星。

因此，為了便于觀察，褐矮星通常被定義為質(zhì)量在13個(gè)到80個(gè)木星質(zhì)量范圍內(nèi)的任何星體。

但是這個(gè)故事還有很多…

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棕矮星是在外太空發(fā)現(xiàn)的眾多天體中的一部分。這張照片顯示的是獵戶(hù)座星云的中心部分，這是我們銀河系中一個(gè)相對(duì)較近的恒星形成區(qū)域。這張照片顯示了一個(gè)大約4 * 3光年的區(qū)域。每個(gè)符號(hào)標(biāo)識(shí)一對(duì)天體，天體是符號(hào)中心的單個(gè)光點(diǎn)。較厚的內(nèi)圓表示原生體，較薄的外圓表示伴生體。紅色表示行星;橙是褐矮星;黃色是棕矮星。每個(gè)符號(hào)旁邊是一對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的圖像。左邊的圖片是原生體和伴生體的原始圖像。左邊的圖像只顯示了伴生體，通過(guò)一種特殊的圖像處理技術(shù)將原生體的圖像摳出來(lái)，將天體的圖像分割成兩部分。圖源：哈勃新聞中心。

什么是恒星？

恒星是由來(lái)自受到某種擾動(dòng)的原始星團(tuán)的大量塵埃和氣體凝聚而成的。各種各樣的機(jī)制可以造成這種干擾。例如，來(lái)自遙遠(yuǎn)的超新星——或者正在爆炸的恒星——的沖擊波可能會(huì)在幾百年或幾千年后，在許多光年之外的空間中擾亂原始云。星云失去了它的均勻性，密度稍高的區(qū)域(因此有更大的引力)開(kāi)始吸引較輕的分子。

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當(dāng)物質(zhì)落入云中的密集區(qū)域時(shí)，它最終會(huì)達(dá)到臨界質(zhì)量；這顆恒星開(kāi)始氘聚變和普通的氫聚變，產(chǎn)生氦-3分子。這種情況發(fā)生在較低的溫度下(略低于1,000,000開(kāi)爾文或1,800,000華氏度)。

在核聚變開(kāi)始的時(shí)候，我們可以用不同的方式來(lái)描述一顆恒星?，F(xiàn)在，這顆恒星在其核心的聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的向外推力和自身重力所產(chǎn)生的向內(nèi)推力之間保持著完美的平衡(不過(guò)是暫時(shí)的)。引力想要進(jìn)一步擠壓恒星，但是核聚變阻止了這種情況的發(fā)生。核聚變想要使恒星擴(kuò)大，但引力不允許。結(jié)果是一個(gè)很好的平衡：一顆恒星。

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如果沒(méi)有發(fā)生氘聚變，宇宙中很少有恒星的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)的三倍。這是因?yàn)椤绻麣渚圩冊(cè)谫|(zhì)量和溫度足夠高的時(shí)候就開(kāi)始了——此時(shí)恒星還沒(méi)有足夠的質(zhì)量產(chǎn)生自身引力來(lái)抵抗氫聚變反應(yīng)向外推的壓力。恒星會(huì)膨脹，而這種膨脹會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部溫度下降，從而減緩并最終結(jié)束恒星發(fā)光所需的氫聚變反應(yīng)。

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氘聚變使恒星保持足夠的低溫，使恒星有足夠的時(shí)間積累足夠的質(zhì)量，所以當(dāng)氫聚變開(kāi)始時(shí)(大約1300萬(wàn)開(kāi)爾文或2300萬(wàn)華氏度)，氫聚變可以持續(xù)。到那時(shí)，恒星的密度已經(jīng)足夠大，有足夠的自我引力來(lái)抵抗膨脹，因此內(nèi)部溫度保持在較高的水平。

在大多數(shù)情況下，只剩下一個(gè)主要的吸積物，形成以氫聚變?yōu)閯?dòng)力的恒星。在稠密的云層中，也有可能演化出第二星(雙星)、第三星(三星)或第四星(四星)。事實(shí)上，也有一些非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括五顆、六顆和七顆星，它們分別被稱(chēng)為quintenary,?sextenary, and?septenary(點(diǎn)擊每個(gè)數(shù)字來(lái)查看例子)。它們可以落入彼此環(huán)繞的軌道(盡管很復(fù)雜)，但仍然足夠穩(wěn)定，足以形成行星。

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比較小質(zhì)量恒星，褐矮星和木星的總體尺寸。在這張圖片中，褐矮星大約比木星大15%。圖片來(lái)自維基共享。

行星是什么？

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在恒星形成和氫聚變開(kāi)始后，太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生并將剩余的氣體掃出星系。將會(huì)有幾個(gè)初級(jí)階段的吸積物，它們體積太大，無(wú)法被太陽(yáng)風(fēng)向外的壓力推開(kāi)。事實(shí)上，它們會(huì)向內(nèi)落向向恒星。

因?yàn)橛钪嬷兴械臇|西都有角動(dòng)量——換句話說(shuō)，因?yàn)樾窃剖切D(zhuǎn)的或旋轉(zhuǎn)的——在最初的星云中聚集形成恒星的粒子將有一個(gè)傾向，沿一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的螺旋路徑落向恒星。這就增加了它們的下落時(shí)間并因此增加了角速度，這就是為什么行星最終會(huì)以同一方向旋轉(zhuǎn)(spinning)并圍繞它們的恒星運(yùn)行。

由于碰撞和相互吸引改變了新形成的原行星的軌道，許多原行星會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，并進(jìn)入穩(wěn)定的軌道。這些最終將成為真正的行星——無(wú)論是像地球或火星那樣的巖石世界，還是像木星或土星那樣的氣態(tài)巨行星——通過(guò)它們自身的引力將原始星云中剩余的小碎片積累起來(lái)。

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行星是比恒星質(zhì)量小得多的天體。這是一個(gè)藝術(shù)家的概念圖，展示了開(kāi)普勒-51星系中的3顆系外行星與我們太陽(yáng)系中的一些行星的對(duì)比。圖片由美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局/ ?歐洲航天局/ STScI/ 科羅拉多大學(xué)博爾德分校拍攝。

恒星和行星有什么區(qū)別?

恒星是由原始星云中的氣體和塵埃坍塌而形成的。因此，天文學(xué)家所稱(chēng)的金屬的含量相對(duì)較低(對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，金屬物指的是任何比氫和氦重的元素)。恒星通常單獨(dú)或作為一組類(lèi)似天體的一部分運(yùn)行。它們的質(zhì)量足以在其核中引發(fā)氫聚變。

行星是在恒星收集了大部分氣態(tài)物質(zhì)之后，積累原始星云中的殘余物質(zhì)形成的。行星的質(zhì)量要比恒星小得多，因此引力要弱得多。像氫和氦這樣的較輕元素在恒星中很常見(jiàn)，它們往往會(huì)逃離行星較弱的引力。因此，相對(duì)于恒星，行星的金屬含量很高。行星通常繞著恒星旋轉(zhuǎn)。根據(jù)天文學(xué)家對(duì)行星的最新定義，行星清除了自己軌道上的碎片。

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當(dāng)然，我們實(shí)際上并不知道褐矮星長(zhǎng)什么樣。它們離我們很遠(yuǎn)，我們從來(lái)沒(méi)有近距離看到過(guò)。但這是一幅名為L(zhǎng)uhman 16A的關(guān)于褐矮星的藝術(shù)家構(gòu)想圖，它基于最近在其表面發(fā)現(xiàn)的和木星一樣的條帶的證據(jù)。圖片來(lái)自加州理工學(xué)院/ R. Hurt (IPAC)。

那會(huì)把褐矮星留在哪里？

褐矮星像恒星一樣積累物質(zhì)，而不像行星。它們由氣態(tài)云凝結(jié)而成——質(zhì)量比行星高，因此有更強(qiáng)的引力——因此它們能比行星更有效地抓住較輕的元素(氫和氦)，因此金屬含量相對(duì)較低。他們唯一的失敗是沒(méi)有收集到足夠的物質(zhì)來(lái)開(kāi)始?xì)渚圩儯M管他們可以維持氘聚變直到氘消失，而氘對(duì)于更大質(zhì)量的恒星形成是至關(guān)重要的，正如前面解釋的那樣。

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人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)棕矮星在1000個(gè)天文單位(AU)或更多的距離上繞著其他恒星旋轉(zhuǎn)。一個(gè)AU =一個(gè)地日距離。然而，并不是所有的棕矮星都在遠(yuǎn)離恒星的軌道上旋轉(zhuǎn)；已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有些在較近的距離上旋轉(zhuǎn)，還有一些流氓棕矮星被發(fā)現(xiàn)，它們沒(méi)有繞任何恒星運(yùn)行，當(dāng)然，這些棕矮星很難被發(fā)現(xiàn)!

相比之下，在我們太陽(yáng)系已知的行星中，海王星是距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的主行星，它的軌道距離為30AU。

所以棕矮星不是行星，它們是沒(méi)能成為恒星，質(zhì)量不足以為氫聚變反應(yīng)提供動(dòng)力。這樣它們就有了自己的分類(lèi)。

為什么是棕色？

我們現(xiàn)在所說(shuō)的棕矮星最早是在20世紀(jì)60年代由天文學(xué)家希夫·s·庫(kù)馬爾提出的，他最初稱(chēng)這些天體為黑矮星。他把它們描繪成自由漂浮在太空中的暗淡的亞恒星天體，它們的質(zhì)量不足以維持氫聚變。后來(lái)，天文學(xué)家、搜尋地外文明計(jì)劃研究員吉爾·塔特在她的博士論文中創(chuàng)造了“褐矮星”這個(gè)名字。她想要確定一個(gè)物體在開(kāi)始?xì)渚圩冎八軗碛械淖畲筚|(zhì)量的上限，從而成為一顆成熟的恒星。

恒星顯然不是“棕色”的，許多這樣的天體的溫度在300至500開(kāi)爾文(80至440華氏度，或人體體溫及以上)之間，因此它們只輻射電磁譜中的紅外部分。既然黑矮星已經(jīng)被認(rèn)為是在描述恒星演化的終點(diǎn)——紅矮星也扮演了一個(gè)角色，作為小而冷的恒星的名字——棕色似乎是一個(gè)合適的妥協(xié)。

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Nisan Gertz于2020年8月16日在以色列的拉蒙火山口拍攝到這張照片。

結(jié)論:棕矮星足夠獨(dú)特，足以有它們自己的分類(lèi)。它們可以繞成熟的恒星運(yùn)行，或其他棕矮星，或不繞任何恒星運(yùn)行。棕矮星必須有一定的質(zhì)量。為了便于觀察，褐矮星通常被定義為質(zhì)量大于13個(gè)、小于80個(gè)木星質(zhì)量范圍內(nèi)的星體?，F(xiàn)在你了解它了!

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作者：EarthSky

FY：Astronomical volunteer team

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