标题：暗恒星
简介
据国外媒体报道，美国科学家日前称，他们最近在银河系中发现了两颗迄今亮度最暗的恒星，亮度仅相当于太阳亮度的百万分之一。 　美国麻省理工大学的天文学家伯加瑟尔负责此项研究，据他介绍称，“这两两颗恒星是我们所知道的所有恒星中光线最弱的两颗。通过这种微弱的特征，我们希望能够发现其他更多的褐矮星。因此从某种意义上讲，这两颗应该算是这些最‘常见’褐矮星中最早被发现的，而其他的褐矮星暂时还没有被发现，仅仅是因为它们的光线实在是太弱了。这对褐矮星之所以被发现，也是因为它们突破了它们发光功率的上限，其亮度相当于太阳亮度的百万分之一。” 
天文学家们曾经认为，这对昏暗的“灯泡”仅仅是一颗单一的褐矮星。但是，在伯加瑟尔利用美国宇航局的“斯皮策”红外线太空望远镜观测到这种褐矮星后，科学家们终于首次实现了对褐矮星的微弱光线和低温的精确测量。“斯皮策”太空望远镜的观测数据表明，这一看起来像一颗单一褐矮星的物体，其实是一对“双子星”。它们被命名为“2M 0939”。伯加瑟尔认为，研究这些星体可以帮助天文学家们弄清褐矮星的结构和进化过程。早期研究表明，若干个中等尺寸的褐矮星被行星形成前的圆盘所包围，但天文学家使用地基望远镜很难研究这种盘状物。同褐矮星发出的红外辐射相比，这些圆盘显得十分暗淡，而“斯皮泽”红外太空望远镜解决了上述问题。“斯皮泽”望远镜对观测长波红外光十分灵敏。研究人员发现，对褐矮星周围的圆盘仅曝光20秒，就发现了圆盘的踪迹。 
观测数据显示，该物体表面大气层的温度介于华氏560到680度之间。它比木星高出好几百度，却又比恒星冷得多。实际上，这两颗褐矮星也是到目前为止所测量出来的温度最冷的褐矮星。为了计算出该星的亮度，研究人员必须首先要确定其与地球的距离。经过三年的精确测量，科学家们终于测出了“2M 0939”的位置。它距离“唧筒座”大约17光年，是距离地球最近的五颗褐矮星之一。这一测量数据也可以作为其低温和光线极其暗淡的解释。但令人费解的是，根据其温度推测，“2M 0939”的亮度却又比一般褐矮星预想的亮度高出一倍。这又如何解释呢？科学家们认为，该星肯定比其他褐矮星表面积也大一倍。换句话说，它是“双子星”，每个星体负责一半的亮度，每个星体质量都是木星质量的30到40倍。它们的亮度仅是太阳亮度的百万分之一。 
褐矮星是介于最小恒星与最大行星之间的天体，由于这一原因褐矮星的亮度非常暗淡，要发现它们十分复杂，因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星，在确定它们围绕共同重心运行的参数之后，计算出这两颗褐矮星的重量和大小。褐矮星被称为“失败的恒星”，它由于质量不足无法成为燃烧的恒星，但其质量仍远大于太阳系最大的行星木星。天文学家在这些古怪的星球上发现了巨大的类似行星的风暴，这种风暴足以与木星上的大红斑风暴媲美。由于褐矮星会随时间的推移冷却下来，该星球上气态的铁分子就会浓缩成液态的铁云和铁雨。随着进一步的冷却，巨大的风暴就会扫过这些云层，让明亮的红外线逃逸到宇宙中。 
关于褐矮星形成的机制天文学家们众说纷纭，比较常见的有抛射理论、前恒星核的光致侵蚀理论、不透明度制约的分裂理论、原恒星盘的不稳定性理论等。抛射理论认为，褐矮星是由于低质量的原恒星胚在还没有达到产生氢核聚变所需的质量前，与其它天体发生了碰撞而被抛射出前恒星核所形成的，这一理论部分地得到了双褐矮星系统的证实。前恒星核的光致侵蚀理论基于大质量恒星的辐射对前恒星核的光致侵蚀作用，能够解释处于电离氢区中的褐矮星的形成机制。褐矮星也可能由大质量的原恒星盘在其它恒星的引力作用下发生碎裂而产生。这些理论每个都只能解释部分褐矮星的形成，研究褐矮星周围的恒星盘可以有效地检验上述理论。
暗恒星：最早的星体
对于科学家们来说，原始恒星依然是一个谜，因为它们是无法被直接观测到的。所以，人们只能以已知恒星为蓝本对原始恒星的形成过程进行推测。在这一蓝本中，神秘的暗物质所发挥的作用非常有限。不过，最近有一位美国的女天体物理学家提出了一项大胆的假设：这些巨型原始天体奇异光辉的核心，可能就是暗物质。
想象一下这个场景吧：在130多亿年前，我们的宇宙尚在幼齿之年，后来的诸多星系在当时仍不过是些充满尘埃的星云，然而在这些星云的中心却闪耀着一些比我们的太阳重1000倍、大2000倍、亮100万倍的气团！这些天体庞大无比、前所未闻，可谓是当时那个正在孕育的世界中的灯塔——因为它们是那片晦暗冰冷的空间里唯一的光源。为我们描述原始宇宙这一恢弘景象的，是美国密歇根大学的一位女物理学家凯瑟琳·弗里兹（Katherine Freese）。这位脑子里装满方程式的科学家一直在宇宙初年的黑暗角落里不懈探索，最终找到了一个独特的视角，颠覆了天体物理学家们此前一贯的看法。她的研究工作使她确信，最早照亮宇宙的天体就是盘踞在尘埃星云核心的这些巨型星体，它们出现于大爆炸发生2亿年之后。她将这些巨型星体命名为“暗恒星”。这一命名有其道理：这些星体之所以能发出如此不同寻常的光辉，是因为它们汲取了一种后来任何恒星都无法利用的能量——它们内部暗物质粒子衰变产生的能量。
这可以说是奇怪的假设。因为，所有严谨的天体物理学家都认为，宇宙中的恒星之所以都会发光，是因为它们通过核聚变反应消耗着氢，而不是消耗暗物质。其次，这还是一个极其大胆的假设，因为直到今天，还没有任何人通过任何探测器观测到这种著名的奇异物质粒子的任何踪影——而这恰是它被称为暗物质的原因。然而，科学界可以说是别无选择地接受了这种假想的未知能量物质的存在。因为，如果它不存在，物理学家们（包括他们所使用的爱因斯坦描绘万有引力效应的相对论）就无法解释星系的自转、超星系团的自转以及宇宙大结构的形成。通过创造暗物质这一概念并赋予其一些能够解释宇宙大运动的引力效应，上述谜团就能得到一个可以接受的解释。当然接受的前提是不要对数据过于计较：因为相关计算显示暗物质应该占到宇宙物质总量的85%！然而，正是暗物质的这种普遍存在性促使凯瑟琳·弗里兹提出了“暗恒星”的设想。“暗恒星”就这样横空出世、轰然而来，要闯进天体物理学的殿堂了。虽然很难想象如此久远的天空是什么样子，天体物理学家们还是认为最早的恒星应该出现得很快，而且就是在它们的内部产生了那些成为后来恒星形成基础的重元素。但是，由于无法通过望远镜对它们进行直接的观测 ——目前搜集到的最遥远的画面显示的是大爆炸之后6亿年也即最早的恒星出现4亿年之后各星系的样子——因而他们难以对这些原始天体的性质作出推测。根据现在公认的理论，暗物质在原始恒星的形成过程中只是被动地发挥作用：正是在这种无形物质高度聚集的那些区域即晕轮之中，原始恒星得以成形。普通物质——主要是氢——受到朝向这种晕轮中心的引力吸引而渐渐集中起来，这种集中收缩一直持续到其密度足以触发核反应，而核反应释放的能量便会将星体点亮并阻止其发生坍塌意外的结果。
但是，暗物质真的只是被动地发挥了这样一种催化作用吗？没有人能说得清楚。凯瑟琳·弗里兹解释说：“虽然我们知道最早的恒星是晕轮内暗物质施加的引力产生的结果，但还没有人具体研究过这种暗物质是以何种方式对这些原始天体内部的力学结构发生影响的。”不过，多亏了这位粒子天体物理学的专家，这项任务已经完成……还得到了一个出人意料的结果。根据她和合作者们的理论运算，普通物质在暗物质引力作用下，向晕轮中心的坍塌反过来又产生了一种能将更多的暗物质吸引进来的引力。当然，这种奇异物质不会超过将要形成的恒星质量的1%，但其密度最终能够达到足以使构成它的粒子开始相互碰撞的程度。而物理学家们最时髦的模型对这些神秘粒子的描绘与对它们的反粒子的描绘是相同的：当其中两个粒子相遇，就必然会导致它们完全湮没在一场壮观的光能爆发之中。结果便是：当形成中的恒星还只是一个巨大的、稀薄的尚无法催生核聚变进程的氢气球时，暗物质粒子的这种湮没就足以点燃星体并阻止这团气体云的坍塌。理论上，一颗暗恒星便这样诞生了！而这种暗恒星的特性与现有的传统模型推算出的原始恒星的特性是根本不同的，令人难以想象……暗恒星的“暗”，只不过是它的名称而已。根据这位美国女科学家的计算，它的颜色介乎黄色与橙色之间，非常类似于太阳，却比太阳要亮得多。通过将越来越多的物质吸引进来，暗恒星很快就变成了一个有着将近1000个太阳质量的庞然大物，其半径则几乎达到30亿公里，相当于太阳到天王星之间的距离！“相比之下，传统标准描绘的原始恒星尽管质量也相当大，但至多不会超过百余个太阳质量，而且要热得多，因为它们的颜色接近蓝色。”凯瑟琳·弗里兹强调。
这一源自一位女科学家想象的发现尽管十分迷人，但这些奇异的星体是否真的存在过，仍有待评定。法国原子能委员会天体物理处的罗曼·泰西耶（Romain Teyssier）认为：“显然，原始恒星在形成过程中吸收了暗物质。问题是要搞清楚暗物质的量是否大到足够导致这些恒星发生燃烧。凯瑟琳·弗里兹的研究以暗物质的吸积进程作为基础，而这种吸积在目前来说纯粹只是理论上的一种设想。我并不是说它们是错的，但它们确实尚待证实。”美国得克萨斯大学天文学系的沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）补充道：“这种暗恒星的构想很有趣，值得认真对待。不过，由于缺乏直接的观测，我们还不能绝对确信暗物质的属性。即便凯瑟琳·弗里兹提到的那些属性很值得赞同。”
巴黎高等师范学校天文射线实验室的帕特里克·艾纳贝尔（Patrick Hennebelle）也持有同样的观点，他进一步指出：“尽管我们对暗物质的属性不甚清楚，但这对于整个原始宇宙研究还是有价值的。现在，暗恒星成为了可以探讨的课题。要知道，黑洞和白矮星在被实际观测到以前也曾经被视作奇谈怪论！”法国阿讷西－勒－维厄粒子物理实验室的皮埃尔·萨拉蒂（Pierre Salati）则建议：“或许应该设想这样一个原始宇宙：其中既有暗恒星，也有传统理论所说的原始恒星。暗恒星是在暗物质聚集程度最高的那些晕轮之中形成的。”