宇宙解码 – 捕捉宇宙中的“幽灵天体”，它们是暗物质的组成部分吗？

　　夜晚的星空，让人眼花缭乱，但这些只是我们能看见的物体，而宇宙中除了这些还有很多自身并不发出可见光的天体，例如一些很冷的恒星：褐矮星、小质量黑洞，它们有可能就在我们太阳系的附近游荡，而我们很难观测到它们。今天我们说下，如何搜寻宇宙中的“幽灵天体”？它们曾经也是暗物质的候选者！

　　我们能看到的恒星都是那些亮度和距离适中的天体

　　如果我们选择一个黑暗的地方仰望星空，如果恰好没有月亮，在一个晴朗的夜晚，大约有6000颗星星（或更多）会迎接你的目光。

　　但我们能看到的星星只是构成银河系几千亿颗恒星中的一小部分。我们知道银河系的规模有多大，恒星之间的距离有多遥远，从地球的位置上看，因此只有一小部分恒星对我们是可见的。这一点很好理解，你可能也会认为我们能看到的星星都是些离我们最近的恒星，话虽没错，但这个故事实际上要复杂得多。

　　并非所有的恒星生来都是平等，宇宙中的事物也充满了多样性，这并不让人感到惊讶，但与其他恒星相比，这些恒星的不平等程度可能会让我们感到惊愕。

　　具体来说：如果我们把一颗像太阳一样的恒星移到十倍远的地方，它的亮度只有太阳的百分之一。如果我们拿一颗太阳质量的恒星和一颗比太阳质量大10倍的恒星作比较，其亮度大约是太阳的5000倍！宇宙中的大多数大质量恒星（质量是太阳的100多倍）的亮度超过太阳数百万倍。

　　换句话说，我们看到的这些恒星并不一定是离我们最近的，我们能否看到它们，和恒星本身的亮度和离我们距离有直接的关系，虽然我们无法看到有些恒星，但它们本身是非常明亮的，只是离我们远而已。而有些恒星确实离我们很近，但其自身亮度不够，我们依然很难看见它们。事实上，在离我们最近的10个恒星中，只有两个是肉眼可见的！

　　以离我们最近的恒星为例：比邻星（半人马座α星C）。你肯定也听说过半人马座阿尔法星，它是一个距离我们4.3光年的三合星系统，比邻星也被认为是这个恒星系中的一员，而比邻星距离太阳只有4.24光年，但它是一颗红矮星，质量只有太阳的12%，在可见光下的亮度只有0.0056%。下面的照片就显示了半人马座阿尔法星和贝塔星，天空中第三和第九大最亮的恒星，以及离我们最近的比邻星。

　　红色箭头是离我们最近的恒星，直到1915年才被发现，距今也就100来年。作为一颗氢聚变的主序星，它在本质上不是宇宙中最暗的天体。

　　“冰冷”的褐矮星

　　上图为标准的赫罗图，显示了大量的恒星，从低质量、冷的m级红矮星（可以在其中找到比邻星）到超大质量、明亮的蓝色o级恒星。

　　但这张图将质量更低的恒星剔除了：因为它们质量太低，无法将氢聚变成氦。相反，它们通过将自己出生时所携带的微量氘熔合成稍重的元素来产生微弱的光芒，其中一些恒星的亮度比太阳低了几万亿倍，甚至比最暗的白矮星也低数百万倍。

　　你看上图，其实在我们熟知的M级恒星下，还有两个L和T，它们被称为褐矮星，这中天体非常冷，几乎不发出任何可见光，需要用红外线才能看到。对于一个足够热的物体自发发出可见光的临界温度在700到800k之间，这意味着如果一个棕矮星的温度低于这个温度，那么无论使用多么强大的望远镜，它们都是肉眼看不见的。

　　即使在今天，已知的褐矮星（已证实）也只有几千颗，其中最冷的一颗是WISE 1828+2650，它的温度已经低到在标准大气压下甚至不能烧开水！

　　我们如何发现这些“幽灵天体”

　　在红外领域哈勃望远镜基本没有用武之地，而广域红外探测探测器WISE是我们迄今为止成功开发和部署的最强大的红外探测工具。下图是Ned Wright绘制的标准褐矮星光谱图。在詹姆斯・韦伯太空望远镜升空之前（最早将于2021年发射），WISE将是我们找到这些难以捕捉的物体的最佳工具。

　　WISE在寻找褐矮星方面已经做得很好了，它最大的成就就是在2013年发现了一对距离我们只有6.5光年的褐矮星，这使它成为离太阳第三近的恒星系统（如果把褐矮星算作恒星的话）！

　　没错！再一次强调，我们第三近的恒星系统。前两个恒星系是半人马座阿尔法星（其中就有比邻星）和巴纳德星。

　　这对恒星系被称为WISE 1049-5319，其实早在2010年就被WISE首次观测到了，但由于它们距离银河系平面非常近，所以很难确认。由于银河系平面内恒星密度（顺便说一句，我们也在银河系平面中）很大，在恒星的背景下很难探测到微弱的光源，这就跟我们逆光看东西一样；经过3年的分析才确认了这个系统的存在。因此，这可能会导致以下问题：

　　有一对距离我们6.5光年的棕矮星，那么在我们的星系中可能有多少个？换句话说，我们现在确信在银河系中有我们看不见的光，但是它们有多少个呢？

　　银河系中有多少这样的天体？它们是暗物质的组成部分吗？

　　目前关于褐矮星的数量最佳估计是通过引力微透镜测量的。也就是说，我们不直接观察和计数棕矮星的数量来测量它们的密度。但即使我们用计数的方式做全面的调查，我们也肯定会错过很多，因为有些根本就看不见。观察和计数方法只可以为我们提供了一个可能存在的数量下限，但没有上限，总体上也不是一个很好的估计值。

　　为了得到一个上限，我们观察远处的一片天空，每当有一颗褐矮星（或其他看不见的物体，如：黑洞）从我们和光源之间经过时，由于引力透镜的作用，我们所观察的背景光源就会产生一种典型的变亮和变暗的现象。

　　这些天体通常被称为MACHOs，或晕族大质量致密天体。它们在银河系中确实存在！但它们的数量很少，占银河系总质量的比例很小。

　　这些天体曾经是暗物质的一个合理的候选者，20世纪多个独立的MACHO-hunters小组寻找这些星系中不发光的天体，我们现在确信没有足够的MACHOs来解释宇宙缺失的质量。

　　微透镜研究已经排除了暗物质可能是由质量介于0.00000001太阳质量（约月球质量）到100太阳质量之间的MACHOs来解释。这就客观上排除了这些质量范围内的黑洞作为暗物质的来源。

　　但这并不意味着褐矮星不是重子的重要组成部分（即：质子、中子和电子）。从理论上讲在我们的银河系中这些褐矮星中包含的质量可能与所有其他已知恒星中包含的质量一样多，或者它们真的很少。可能性的范围实际上非常不确定。

　　未来的詹姆斯・韦伯太空望远镜应该是一项技术飞跃，让我们能够测量出在我们太阳系附近到底有多少颗褐矮星。只要韦伯太空望远镜盯着银河系的一小块区域，并搜索这些微弱的红外物体，我们将最终能确切地知道我们附近宇宙的样子！

　　在望远镜发明400多年后，我们仍然不知道有多少（以及什么类型的）颗恒星在我们的周围。因为在我们的附近有看不见的光！原则上，还有比褐矮星更冷、质量更低的天体，它们甚至比比邻星离我们更近！

　　当我们仰望天空时，请记住：外面的宇宙，绝大部分对我们是不可见的。

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