褐矮星的化学组成
Katharina Lodders 文    Shea 译

　　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。

  

[图片说明]：木星、T型褐矮星、L型褐矮星以及L型褐矮星向M型矮星过渡的褐矮星中的云层。

　　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。


出自：Science
发布日期：2004-01-16

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