天文学家发现最小恒星

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天文学家发现了最小的恒星,个头甚至比木星还要再小一点。图片来源:Steed,夜空中国

(文/Phil Plait)天文学家或许已经发现了已知最小的恒星。不只是已知的恒星里最小的一颗,就算在所有可能的恒星里,也很有可能是最小的。如果它再小一点的话,可能就不能再成为一颗恒星了。

这颗恒星被名为2MASS J05233822-1403022,我们可以简称它为J0523[这个复杂的名字表示,它是由2MASS项目(2-Micron All Sky Survey,2微米全天巡视)发现的,后面那串数字则是它在天空中的坐标——没错,天文学家起名字就是这么无趣]。它的亮度仅有太阳的1/8000,表面温度为1800℃(作个比较,太阳的表面温度为5600℃),直径仅有太阳的0.09倍——甚至比木星还要小!

实际上,这颗恒星离我们相当近,只有大约40光年,但因为非常暗淡,你必须用大望远镜才能看到它——你用肉眼能够看到的最暗恒星,都要比J0523明亮100万倍!

那么,我们是如何确定它(可能)是最小的恒星呢?

为了回答这个问题,我们必须先定义什么是“恒星”。天文学家认为,恒星是质量大到足以在其核心处将氢元素聚变成氦元素的气态天体。我们的太阳可以做到这一点,因此它是一颗恒星。木星就不行,所以它不是。

事实证明,要想让这种核聚变反应发生,你必须把氢压缩到极致。行星自身的重力做不到这一点,但是如果你往一颗行星上堆积足够多的物质,随着核心压强和温度的上升,最终你总能点燃那里的氢核聚变。

我们认为,这个临界质量大约是太阳质量的0.07–0.077倍。如果质量超过这个范围,你就得到了一颗恒星。不到这个范围,那就成不了恒星。

但是,这个范围也太宽了一点。如果能把范围再收窄一点,那就好了。于是,为了确定恒星质量的下限到底在哪里,一个研究邻近恒星的天文学家团队决定,寻找逼近这一下限的超低质量恒星,以及那些质量明显低于下限的天体。后者我们称之为褐矮星。

关于恒星与褐矮星的对比,有件事情相当好玩。如果你往一颗恒星上增加质量,它会变得更热更大。这是因为,恒星核心处的聚变反应率对质量非常敏感。如果你增加一点质量,聚变反应率就会上升,于是温度也会上升,恒星会就膨胀一点。(毕竟,恒星本质上就是一团气体,加热气体时它就会膨胀。)

褐矮星就不同。它的核心已经被自身质量压实,却还不足以点燃核聚变。那里的物质处于一种古怪的量子力学状态,称为简并态。它的一个古怪特性就是,如果你往褐矮星上增加质量,它反而会缩得更小。

所以,这些天文学家做了一件非常聪明的事情。他们找到了63颗处在聚变临界质量附近的天体,根据大小和表面温度(温度本身取决于质量,但更容易直接测量)将它们画在一张表上。随着质量越来越小,恒星的温度会越来越低,半径也会越来越小,然而一旦跨过了临界质量,进入褐矮星的国度,温度越低(因而质量越低)的话,半径反而会越来越大。

他们画出了这些天体的属性,确实发现随着表面温度的下降,天体的半径也在缩小,直到出现一个最小值,然后又开始增大。这个最小值必定就位于普通恒星与褐矮星的边界之上。而且,他们发现J0523就位于这个边界上,就在边界的恒星那一侧。

在可见光波段,J0523即使在大望远镜中也暗到几乎会被忽视(白色箭头所指处)。不过在红外波段(插入图),它还是相当显眼的。图片来源: CDA Portal / 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

正因为如此,我们才会认为,J0523是最小的恒星。它还是质量最小的恒星,也是温度最低的恒星。如果它的质量再小一点,它就不再是一颗恒星,而是一颗褐矮星了。

不过需要提醒的是,这个界限没有那么明确和分明。它也受到其他因素的影响,包括恒星的年龄、恒星中“金属”的含量(天文学家把所有比氢和氦更重的元素都称为“金属”,这可能会让圈外的人感觉有一点困惑,但氢和氦目前仍是宇宙中含量最丰富的元素,而其他所有元素本质上都是一种“污染”),甚至还有恒星自转的速度。

事实上,观测数据跟理论模型相比还是有些差异的,理论模型预言,临界质量对应的表面温度应该更低,接近1400℃才对。现在还不清楚,为什么这里会存在差异。这可能是前面提到的那些因素在起作用,也可能是观测样本存在未知的偏差。(老实说,63个天体在统计学上不算非常多,但这些天体都非常暗淡,很难找到更多不带偏差的样本;不过,这些天文学家正致力于寻找更多天体,以充实他们的样本库。)还有可能,我们对褐矮星核心物理过程的理解有一点偏差。在边界附近,事情总是很难搞。

考虑到所有这些不确定因素,质量比J0523更小的恒星也是有可能找到的。不过在那之前,J0523将是最小恒星的纪录保持者。

无论如何,有件事值得一提:就像之前提到的,一颗恒星的核聚变反应率取决于恒星的质量。质量越小,反应速度就越慢,氢燃料可以维持消耗的时间就越长。因此,J0523可以持续燃烧的时间要比太阳的寿命长久许多。事实上,哪怕再过上万亿年,这颗小小的恒星仍然会快乐地发出暗淡的光芒——那时,我们的太阳已经死去很久很久了。(编辑:Steed

 

编译自:BadAstronomy.com,The Smallest Star

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