褐色矮星
この brown は実際の色そのものを示しているのではない。
黒色矮星という名称はその後も、一定量の光を放射しなくなる段階まで冷却が進んだ白色矮星を指す言葉として使用され続けている。しかし最も軽い部類の白色矮星であっても、その温度にまで冷却するには現在の宇宙の年齢よりも長い時間が必要だと計算されている。そのため、このような天体はまだ存在しないと考えられている。
最も低質量の恒星の性質および水素燃焼の限界となる質量に関する理論研究では、0.07太陽質量よりも軽い種族Iの星と0.09太陽質量より軽い種族IIの星は通常の恒星のような進化は辿らず、完全に縮退した星になると考えられた。水素燃焼を起こす最小質量の初めての自己整合的な計算が1963年に林忠四郎と中野武宣によって行われ、種族Iの天体の場合は水素の核融合を起こすことが出来る質量の下限は 0.07-0.08 太陽質量の間であることが確認された。
褐色矮星はおおむね木星と同程度の半径である。褐色矮星のうち最も大質量側のもの (60-90木星質量) は、白色矮星と同様に主に縮退圧によって体積が決まる。最も低質量側のもの (10木星質量) は、惑星と同様に主にクーロン障壁によって体積が決まる。結果的に、褐色矮星の密度は質量に応じて大きく変化するのに対して、半径は取りうる質量の範囲にわたってわずか 10-15% しか変化しない。このことが、褐色矮星を惑星と区別することを難しくしている。
さらに、多くの褐色矮星は核融合を起こさない。褐色矮星が取りうる質量範囲の下端 (13木星質量未満) では重水素の核融合を起こすほどの温度に到達せず、60木星質量を超える重いものであっても、1000万年が経過して核融合を起こさなくなった後は急速に冷える。
これは恒星となるための下限質量を下回るものである。この天体は、その後の若い褐色矮星に関連した研究における参考となった。
理論的には、65木星質量よりも軽い褐色矮星は、その進化のいかなる段階でもリチウムを熱核融合で燃焼することはできない。この事実は、低光度で低表面温度の天体が恒星ではないことを判断するために用いられるリチウムテストの原則の1つとなっている。
1995年11月にケック!望遠鏡を用いて得られた高品質のスペクトルデータでは、Teide 1 はプレアデス星団を形成する元となった分子雲の初期のリチウム存在度を依然として保っていることが示され、核でリチウムの熱核融合が発生していないことが証明された。これらの観測によって Teide 1 が褐色矮星であることが確実となり、また分光観測でのリチウムテストの有効性を示すことにもなった。
同時に、Teide 1 は直接観測によって同定された中では最も小さな太陽系外の天体であった。この天体の発見以降、1800 個を超える褐色矮星が同定されている。それらの中には、より地球に近く、12光年の太陽に似た恒星に重力的に束縛された褐色矮星の連星であるインディアン座ε星Ba と Bb、6.5光年の距離にある褐色矮星同士の連星系 WISE J104915.57-531906.1 がある。
その直後、Michael C. Liu らは非常に低質量の褐色矮星を公転する「非常に低温」(370 K) な褐色矮星の発見を報告した。その論文の中で、Liu らは「この低い光度、非定形な色と低い温度のため、CFBDS J1458+10B は仮説上のスペクトルY型の有望な候補である」と述べている。
2011年8月、科学者たちは NASA の広域赤外線探査衛星 (WISE) のデータを用いて6個のY型矮星を発見した。これらは恒星のような天体でありながら人体と同程度の温度を持っている。
WISE の観測データからは、数百もの新しい褐色矮星の存在が明らかになった。これらのうち、14個が低温のY型に分類されている。そのうちの1つである WISEPA J182831.08+265037.8 (WISE 1828+2650) は、2011年8月の時点では褐色矮星としては最も低温という記録を持っていた。可視光線をほとんど放射しておらず、恒星というよりは自由浮遊惑星に類似している。WISE 1828+2650 は当初、大気の温度が 300 K を下回ると推定されていた。これは室温に近い温度である。この推定温度は後に改定され、250-400 K と推定されている。
2014年4月には、WISE J085510.83-071442.5 (WISE 0855-0714) が 225-260 K の温度を持ち、質量は 3-10 木星質量であるとの推定が発表された。この天体は視差も非常に大きく、観測された値は太陽系から 7.2 ± 0.7 光年の近距離にあることを意味している。
X線と赤外線のスペクトルは、その天体が褐色矮星であることを示す明白な兆候である。いくつかの褐色矮星はX線を放射する。また全ての「温かい」褐色矮星は、惑星に近い温度 (1000 K) に冷えるまでの間、赤い可視光線や赤外線のスペクトルで輝く。
巨大ガス惑星は褐色矮星の一部の特徴を持つ。太陽と同様に、木星と土星はどちらも水素とヘリウムが主成分である。土星は木星の30%の質量しか持たないが、サイズは木星よりも少し小さい程度である。太陽系内の巨大惑星のうち木星、土星、海王星の3つは、太陽から受け取る熱量よりも多くの熱 (最大で2倍) を放射している。そして4つの全ての巨大惑星は、独自の「惑星」系、すなわち衛星を持っている。