暗恆星

據國外媒體報道， 　美國麻省理工大學的天文學家伯加瑟爾負責此項研究，據他介紹稱，“這兩兩顆恆星是我們所知道的所有恆星中光線最弱的兩顆。通過這種微弱的特徵，我們希望能夠發現其他更多的褐矮星。因此從某種意義上講，這兩顆應該算是這些最‘常見’褐矮星中最早被發現的，而其他的褐矮星暫時還沒有被發現，僅僅是因為它們的光線實在是太弱了。這對褐矮星之所以被發現，也是因為它們突破了它們發光功率的上限，其亮度相當於太陽亮度的百萬分之一。”

天文學家們曾經認為，這對昏暗的“燈泡”僅僅是一顆單一的褐矮星。但是，在伯加瑟爾利用美國宇航局的“斯皮策”紅外線太空望遠鏡觀測到這種褐矮星後，科學家們終於首次實現了對褐矮星的微弱光線和低温的精確測量。“斯皮策”太空望遠鏡的觀測數據表明，這一看起來像一顆單一褐矮星的物體，其實是一對“雙子星”。它們被命名為“2M 0939”。伯加瑟爾認為，研究這些星體可以幫助天文學家們弄清褐矮星的結構和進化過程。早期研究表明，若干個中等尺寸的褐矮星被行星形成前的圓盤所包圍，但天文學家使用地基望遠鏡很難研究這種盤狀物。同褐矮星發出的紅外輻射相比，這些圓盤顯得十分暗淡，而“斯皮澤”紅外太空望遠鏡解決了上述問題。“斯皮澤”望遠鏡對觀測長波紅外光十分靈敏。研究人員發現，對褐矮星周圍的圓盤僅曝光20秒，就發現了圓盤的蹤跡。

觀測數據顯示，該物體表面大氣層的温度介於華氏560到680度之間。它比木星高出好幾百度，卻又比恆星冷得多。實際上，這兩顆褐矮星也是到目前為止所測量出來的温度最冷的褐矮星。為了計算出該星的亮度，研究人員必須首先要確定其與地球的距離。經過三年的精確測量，科學家們終於測出了“2M 0939”的位置。它距離“唧筒座”大約17光年，是距離地球最近的五顆褐矮星之一。這一測量數據也可以作為其低温和光線極其暗淡的解釋。但令人費解的是，根據其温度推測，“2M 0939”的亮度卻又比一般褐矮星預想的亮度高出一倍。這又如何解釋呢？科學家們認為，該星肯定比其他褐矮星表面積也大一倍。換句話説，它是“雙子星”，每個星體負責一半的亮度，每個星體質量都是木星質量的30到40倍。它們的亮度僅是太陽亮度的百萬分之一。

褐矮星是介於最小恆星與最大行星之間的天體，由於這一原因褐矮星的亮度非常暗淡，要發現它們十分複雜，因此要確定它們的大小就更加複雜。但是最近天文學家成功地發現了組成雙星系統的兩顆褐矮星，在確定它們圍繞共同重心運行的參數之後，計算出這兩顆褐矮星的重量和大小。褐矮星被稱為“失敗的恆星”，它由於質量不足無法成為燃燒的恆星，但其質量仍遠大於太陽系最大的行星木星。天文學家在這些古怪的星球上發現了巨大的類似行星的風暴，這種風暴足以與木星上的大紅斑風暴媲美。由於褐矮星會隨時間的推移冷卻下來，該星球上氣態的鐵分子就會濃縮成液態的鐵雲和鐵雨。隨着進一步的冷卻，巨大的風暴就會掃過這些雲層，讓明亮的紅外線逃逸到宇宙中。

關於褐矮星形成的機制天文學家們眾説紛紜，比較常見的有拋射理論、前恆星核的光致侵蝕理論、不透明度制約的分裂理論、原恆星盤的不穩定性理論等。拋射理論認為，褐矮星是由於低質量的原恆星胚在還沒有達到產生氫核聚變所需的質量前，與其它天體發生了碰撞而被拋射出前恆星核所形成的，這一理論部分地得到了雙褐矮星系統的證實。前恆星核的光致侵蝕理論基於大質量恆星的輻射對前恆星核的光致侵蝕作用，能夠解釋處於電離氫區中的褐矮星的形成機制。褐矮星也可能由大質量的原恆星盤在其它恆星的引力作用下發生碎裂而產生。這些理論每個都只能解釋部分褐矮星的形成，研究褐矮星周圍的恆星盤可以有效地檢驗上述理論。 ^[1] 

對於科學家們來説，原始恆星依然是一個謎，因為它們是無法被直接觀測到的。所以，人們只能以已知恆星為藍本對原始恆星的形成過程進行推測。在這一藍本中，神秘的暗物質所發揮的作用非常有限。不過，最近有一位美國的女天體物理學家提出了一項大膽的假設：這些巨型原始天體奇異光輝的核心，可能就是暗物質。

想象一下這個場景吧：在130多億年前，我們的宇宙尚在幼齒之年，後來的諸多星系在當時仍不過是些充滿塵埃的星雲，然而在這些星雲的中心卻閃耀着一些比我們的太陽重1000倍、大2000倍、亮100萬倍的氣團！這些天體龐大無比、前所未聞，可謂是當時那個正在孕育的世界中的燈塔——因為它們是那片晦暗冰冷的空間裏的光源。為我們描述原始宇宙這一恢弘景象的，是美國密歇根大學的一位女物理學家凱瑟琳·弗里茲（Katherine Freese）。這位腦子裏裝滿方程式的科學家一直在宇宙初年的黑暗角落裏不懈探索，最終找到了一個獨特的視角，顛覆了天體物理學家們此前一貫的看法。她的研究工作使她確信，最早照亮宇宙的天體就是盤踞在塵埃星雲核心的這些巨型星體，它們出現於大爆炸發生2億年之後。她將這些巨型星體命名為“暗恆星”。這一命名有其道理：這些星體之所以能發出如此不同尋常的光輝，是因為它們汲取了一種後來任何恆星都無法利用的能量——它們內部暗物質粒子衰變產生的能量。

這可以説是奇怪的假設。因為，所有嚴謹的天體物理學家都認為，宇宙中的恆星之所以都會發光，是因為它們通過核聚變反應消耗着氫，而不是消耗暗物質。其次，這還是一個極其大膽的假設，因為直到今天，還沒有任何人通過任何探測器觀測到這種著名的奇異物質粒子的任何蹤影——而這恰是它被稱為暗物質的原因。然而，科學界可以説是別無選擇地接受了這種假想的未知能量物質的存在。因為，如果它不存在，物理學家們（包括他們所使用的愛因斯坦描繪萬有引力效應的相對論）就無法解釋星系的自轉、超星系團的自轉以及宇宙大結構的形成。通過創造暗物質這一概念並賦予其一些能夠解釋宇宙大運動的引力效應，上述謎團就能得到一個可以接受的解釋。當然接受的前提是不要對數據過於計較：因為相關計算顯示暗物質應該佔到宇宙物質總量的85%！然而，正是暗物質的這種普遍存在性促使凱瑟琳·弗里茲提出了“暗恆星”的設想。“暗恆星”就這樣橫空出世、轟然而來，要闖進天體物理學的殿堂了。雖然很難想象如此久遠的天空是什麼樣子，天體物理學家們還是認為最早的恆星應該出現得很快，而且就是在它們的內部產生了那些成為後來恆星形成基礎的重元素。但是，由於無法通過望遠鏡對它們進行直接的觀測 ——目前蒐集到的最遙遠的畫面顯示的是大爆炸之後6億年也即最早的恆星出現4億年之後各星系的樣子——因而他們難以對這些原始天體的性質作出推測。根據現在公認的理論，暗物質在原始恆星的形成過程中只是被動地發揮作用：正是在這種無形物質高度聚集的那些區域即暈輪之中，原始恆星得以成形。普通物質——主要是氫——受到朝向這種暈輪中心的引力吸引而漸漸集中起來，這種集中收縮一直持續到其密度足以觸發核反應，而核反應釋放的能量便會將星體點亮並阻止其發生坍塌意外的結果。

但是，暗物質真的只是被動地發揮了這樣一種催化作用嗎？沒有人能説得清楚。凱瑟琳·弗里茲解釋説：“雖然我們知道最早的恆星是暈輪內暗物質施加的引力產生的結果，但還沒有人具體研究過這種暗物質是以何種方式對這些原始天體內部的力學結構發生影響的。”不過，多虧了這位粒子天體物理學的專家，這項任務已經完成……還得到了一個出人意料的結果。根據她和合作者們的理論運算，普通物質在暗物質引力作用下，向暈輪中心的坍塌反過來又產生了一種能將更多的暗物質吸引進來的引力。當然，這種奇異物質不會超過將要形成的恆星質量的1%，但其密度最終能夠達到足以使構成它的粒子開始相互碰撞的程度。而物理學家們最時髦的模型對這些神秘粒子的描繪與對它們的反粒子的描繪是相同的：當其中兩個粒子相遇，就必然會導致它們完全湮沒在一場壯觀的光能爆發之中。結果便是：當形成中的恆星還只是一個巨大的、稀薄的尚無法催生核聚變進程的氫氣球時，暗物質粒子的這種湮沒就足以點燃星體並阻止這團氣體雲的坍塌。理論上，一顆暗恆星便這樣誕生了！而這種暗恆星的特性與現有的傳統模型推算出的原始恆星的特性是根本不同的，令人難以想象……暗恆星的“暗”，只不過是它的名稱而已。根據這位美國女科學家的計算，它的顏色介乎黃色與橙色之間，非常類似於太陽，卻比太陽要亮得多。通過將越來越多的物質吸引進來，暗恆星很快就變成了一個有着將近1000個太陽質量的龐然大物，其半徑則幾乎達到30億公里，相當於太陽到天王星之間的距離！“相比之下，傳統標準描繪的原始恆星儘管質量也相當大，但至多不會超過百餘個太陽質量，而且要熱得多，因為它們的顏色接近藍色。”凱瑟琳·弗里茲強調。

這一源自一位女科學家想象的發現儘管十分迷人，但這些奇異的星體是否真的存在過，仍有待評定。法國原子能委員會天體物理處的羅曼·泰西耶（Romain Teyssier）認為：“顯然，原始恆星在形成過程中吸收了暗物質。問題是要搞清楚暗物質的量是否大到足夠導致這些恆星發生燃燒。凱瑟琳·弗里茲的研究以暗物質的吸積進程作為基礎，而這種吸積在目前來説純粹只是理論上的一種設想。我並不是説它們是錯的，但它們確實尚待證實。”美國得克薩斯大學天文學系的沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）補充道：“這種暗恆星的構想很有趣，值得認真對待。不過，由於缺乏直接的觀測，我們還不能絕對確信暗物質的屬性。即便凱瑟琳·弗里茲提到的那些屬性很值得贊同。”

巴黎高等師範學校天文射線實驗室的帕特里克·艾納貝爾（Patrick Hennebelle）也持有同樣的觀點，他進一步指出：“儘管我們對暗物質的屬性不甚清楚，但這對於整個原始宇宙研究還是有價值的。現在，暗恆星成為了可以探討的課題。要知道，黑洞和白矮星在被實際觀測到以前也曾經被視作奇談怪論！”法國阿訥西－勒－維厄粒子物理實驗室的皮埃爾·薩拉蒂（Pierre Salati）則建議：“或許應該設想這樣一個原始宇宙：其中既有暗恆星，也有傳統理論所説的原始恆星。