给褐矮星称称重,宇宙的年龄有多大

褐矮星是一种介于最小的恒星和最大的行星之间的“流产”恒星。它总是被天文学家们视为理解恒星和行星形成过程的重要一环。不过,褐矮星的麻烦在于它们很难被找到,而且直到不久以前。几乎所有精确估测它们大小的尝试都是以失败而告终的。

1 银河系的研究简史

在科学宇宙理论诞生以前,关于宇宙的年龄问题,只能是臆想,最多也是哲学家干的活儿。大爆炸宇宙诞生理论为计算宇宙的年龄提供了物理基础。时间是从大爆炸开始的。

不过现在,天文学家们已经找到了一对相互绕转的年轻褐矮星。这项发现使得科学家们第一次有可能称出褐矮星的重量。并且测出它们的半径。

早在15世纪中期,法国大主教尼古拉就已猜测夜空中的众多繁星都是十分遥远的太阳。1584年,意大利思想家布鲁诺进一步明确提出宇宙无限的概念,并认定太阳只是一颗普通的恒星。不过,鉴于这些天才的猜测缺乏实测科学依据的支持,学者们并没有给以充分的关注。

我们知道,“哈勃常数”是大爆炸理论的主要依据,测算宇宙年龄的一个关键因素正是计算哈勃常数。所谓哈勃常数,是星系的红移量(远离我们而去的速度,也就是星系的分离速度)与星系到地球的距离(也就是星系之间的距离)的比值。因此,计算哈勃常数,就是计算星系之间的距离和分离速度。由于星系的分离速度可测量出来,因而宇宙年龄最后决定于星系之间距离的测量。

这项最新研究是重要的,因为这是对这类恒星的半径和质量进行的首次直接测量。这类恒星无法像普通的恒星,例如太阳这样,发生核聚变反应。

对银河系本质的认识首先归功于望远镜的问世。1608年,荷兰人利伯希(Lippershey
H)在一次偶然机会中发明了望远镜。1609年,伽利略率先把自制的望远镜对准银河,他发现银河实际上由无数颗恒星构成,只是因为这些星星既多又暗,且密集在一起,肉眼无法加以分辨,在晴朗夜空中形成了一条模糊而又不规则的银白色光带——银河。1750年,英国天文学家赖特正确指出,银河和天空中所有的恒星构成一个扁平状的巨大恒星系统,但他并没有给出观测证据。

由于星系之间距离很难准确地测量出来,所以哈勃常数也存在很大的误差。20世纪90年代以前,人们根据哈勃常数估算宇宙的年龄为150~200亿年。随着天文测距技术的提高,多数天文学家认为宇宙比原来估算的年龄要年轻一些,应在100~150亿岁之间。

这项发现主要是由威斯康星一麦迪逊大学的马蒂厄、范德比尔特大学的凯伊万·斯塔森以及太空望远镜科学研究所的杰夫·瓦伦蒂共同做出的。这个小组利用了一大堆的观测数据,其中最早的一批来自于马蒂厄和斯塔森12年前所做的观测。当时他们使用的是基特峰天文台和美国海军天文台的相对较小的望远镜。

首先通过实测探究银河系结构的是著名英国天文学家、天王星发现人威廉·
赫歇尔(Herschel
W)。从1770年代起,赫歇尔开始用恒星计数方法研究银河系结构。在几十年内所作的1083次观测中,他总共计数了117,600颗恒星,就当时的条件来说工作量非常大,赫歇尔为之付出了极大的心血。1785年,赫歇尔在观测的基础上加上若干理论假设,建立了天文学史上的第一个银河系模型。

当然也有估算为90亿岁和240亿岁的。这就说明,宇宙的年龄问题并没有最后解决,科学家还在努力地探索着。

在接下来的12年间。这个小组累积了另外1600次观测数据,其中大部分来自于基特峰和泛美天文台,但最主要的观测是在智利的双子星南座天文台取得的。

赫歇尔的工作具有重大历史意义,它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在,使人类的视野从太阳系范围大大地拓展了。这是继哥白尼建立日心说之后,天文学发展史上的又一个重要里程碑,赫歇尔因此被后人誉为恒星天文学之父。在赫歇尔的模型中,太阳仍然位于那时所认识的宇宙范围——银河系的中心。基于赫歇尔当时在天文界中有着很高的声望,这一不正确的概念维持了130余年。

按照马蒂厄的说法,这个小组发现的褐矮星是年轻的,只有100万年的历史。它们位于距离地球只有1500光年的猎户座大星云之中,这是太空中一片富足的恒星形成区域。

1830年代发明了照相术,荷兰天文学家卡普坦(Kapteyn
J)首先意识到这可以为天文学家提供一种全新的观测手段,他正确地认定,借助照相方法重做恒星计数工作,可望得出比赫歇尔更好的结果。经过不懈的努力,卡普坦于1922年发表了他的银河系模型:银河系主体具有盘状结构,直径5。5万光年,厚1。1万光年,包含了474亿颗恒星;太阳位于靠近盘中心的位置上,离中心约为2000—2300光年,世人称为“卡普坦宇宙”。遗憾的是,尽管卡普坦曾正确认识到“太阳到系统的中心必定有相当大的距离”,但他最终还是放弃了。

“我们的目标是寻找食双星,”马蒂厄说,他们的观测计划是搜索这片著名的、被研究得非常透彻的恒星“育婴室”,“我们在寻找会眨眼的恒星,这是食双星系统的标志。”

正确判定太阳在银河系中位置的工作是由美国天文学家沙普利(Shapley
H)完成的。1918年,沙普利研究了69个球状星团的空间分布,发现有90%位于银河系中心方向一侧,并根据球状星团分布这种“一边倒”的观测现象,正确推断太阳并不居于银河系中心,而是处在比较靠近银河系边缘的位置上,这一结论为深入研究银河系结构奠定了基础。在沙普利的模型中,太阳位于距银河系中心约5万光年处,而全部球状星团涉及的空间范围约为30万光年,这个数字实际上是偏大了。这时,距赫歇尔提出的第一个银河系模型已过去了130余年。

双星系统,即两颗相互绕转的恒星,对天文学家们是很有帮助的。特别是当它们的轨道侧向我们,一颗恒星能够遮掩另一颗恒星的时候。

根据近代天文观测和研究可知,银河系是一个旋涡星系,年龄估计在100亿年以上,总体结构大体可分为4部分,即银盘、核球、银晕和暗晕。银河系总质量(指不计暗晕部分,下同)约为1。4×1011太阳质量,其中以恒星形式出现的约占90%,由气体和尘埃组成的星际介质占10%左右。

“这种掩食现象使得对恒星物理性质的重要测量成为可能。”斯塔森说。他现在是范德比尔特大学的教授。但在收集那些观测数据的时候,他还是马蒂厄的一名研究生。

银盘是银河系中恒星和星际介质分布的主体,集中了银河系质量的85%—90%。银盘呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状,直径8。2万光年。太阳到银河系中心的距离约为2。6万光年,离银盘对称平面仅为20—30光年。银盘中心厚,边缘薄,太阳附近银盘厚度约3,300光年。

这两颗褐矮星的大小与天文学家们的预期大致相符。其中较大的一颗约为木星大小的50倍,较小的一颗约是木星大小的30倍。尽管它们体形不小。分别是太阳半径的70%和50%,但这两颗褐矮星的质量却只有我们太阳的5.5%和3.5%。

核球是位于银河系中心部分的恒星密集区,大致呈扁旋转椭球体状,长轴约1。3—1。6万光年,厚1。3万光年左右。核球质量约占银河系质量的5%,主要成分是老年天体,且越接近核心区,恒星密度越高。银河系中心附近有一个至少含5个子源的强射电源人马A,明亮的银核即位于其中的1个子源内,直径接近5光年,质量约是太阳质量的几百万倍。一种流行的观点认为,在银核位置上有一个超大质量黑洞,不过目前它并没有处于剧烈活动期。

按照斯塔森的说法,这样的测量为“翻译”其他褐矮星的物理性质提供了一块“罗塞塔石碑”,即使它们不处于双星系统之中。天文学家们一直推测着褐矮星的物理性质,但是直到现在,才有人能够完成一整套的直接测量。

包围着银盘的是一个物质平均密度比银盘低得多的区域,称为银晕,大体上呈球状,直径约10万光年。银晕涉及的范围比银盘大得多,但因物质分布非常稀疏,故质量大约只及银盘的10%。银晕中主要有两类天体,即老年恒星和球状星团,此外还有极少量的气体。

在大多数方面,新的观测数据都与已经建立的褐矮星理论模型相符,但是,令人吃惊的是,两颗褐矮星中质量较小的那颗居然比较重的那颗更热。

银晕外有一个范围更大的物质分布区,这就是暗晕,其成分是暗物质,尺度可能是银晕的10倍,质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍。暗晕的存在是根据观测资料间接推定的:如果银河系物质主要集中在银盘和银核,则离中心越远处,恒星绕银心的转动速度越慢,而实测结果却大相径庭——在太阳附近以及更远的地方,恒星转动的速度大致保持不变,甚至还略有增加。由此推断在银河系外围必定存在大量性质尚不很清楚的不发光暗物质,它们构成了暗晕。

“当我们观测恒星时,任何恒星质量较大的总是更热,”斯塔森说,“可能的情况是,较小的那颗褐矮星因某些物理过程改变了自身的结构,而这种过程并不包括在任何现有的理论模型之中。也。许是一个强磁场,不过一切都只是推测而已。”

2 两种可能的演化途径

斯塔森说,另一种解释是,这对褐矮星“不是亲生的双胞胎,而是被分别收养的两兄弟”。换句话说。它们并不像大多数双星系统一样,是在同一片气体和尘埃云中诞生的,而是形成于不同的时间和地点,后来才不知何故,变成了相互旋转的同伴。

在沙普利之后的几十年时间内,随着天文观测研究工作的深入,特别是射电天文手段的面世,人们对银河系结构取得了较为全面的认识,开始探究银河系的运动学和动力学状态,并进而探讨银河系的形成和演化机制。

理论认为,褐矮星开始时更像是普通的恒星,形成于星际尘埃气体云中。然而,驱动了普通恒星的核反应在它们内部无法被点燃,因为这些恒星中心的压强和温度都达不到要求,根本的原因是它们的质量太低。

银河系天体的运动状态取决于银河系引力场,也就是取决于银河系的物质分布状况。恒星在银河系内的运动形式既不像太阳系中行星的开普勒运动,也不是角速度处处相同的刚体自转,而是所谓“较差自转”,即不同银心距的恒星有不同的转动角速度。这一概念首先是由瑞典天文学家林德伯拉德(Lindblad
B)于1925年提出的,两年后经荷兰天文学家奥尔特的工作而得以完善。在上述工作基础上,奥尔特于1932年建立了第一个近代银河系模型,并开创了用动力学方法解释恒星运动学状态的研究途径,称为奥尔特-林德伯拉德理论。