天文學家發現自轉最快的棕矮星


天文學家從美國太空總署的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)獲得數據中發現有史以來三顆已知自轉速度最快的棕矮星。 棕矮星比大多數行星都大,但質量卻不足以像正常恆星一樣點燃,它們是宇宙之中介乎行星與恆星的天體。對於大多數人來說,它們不像恆星和行星那樣廣為人知,但它們在銀河系中的數量已經達到數十億顆。

這三顆快速自轉的棕矮星接近它們的旋轉速度極限,超過極限它們就會撕裂瓦解。這些快速自轉褐矮星的直徑與木星幾乎相同,但質量卻高出四十至七十倍。它們每顆大約每一小時自轉一次,而已知第二快的褐矮星大約每1.4小時自轉一次,而木星每十小時旋轉一次。根據它們的大小,這意味著三顆褐矮星中最大的一顆以大約每秒一百公里的速度或者大約時速三十六萬公里的速度旋轉。

棕矮星像恆星或行星一樣,在形成時已經會自轉。當它們冷卻收縮時,它們自轉速度變得更快,就像一個旋轉的溜冰運動員將她的手臂縮回她的身體時一樣。天文學家測量了大約八十顆褐矮星自轉速度,它們的變化範圍從不到兩小到幾十小時。

在已經測量得到的棕矮星,它們速度變化如此之大的情況下,研究團隊感到驚訝是,有史以來發現的三顆最快的棕矮星具有幾乎完全相同的自轉速度。這不能歸因於褐矮星形成在一起或處於演化的同一階段,因為它們在物理上不同:一顆是溫暖的棕矮星,一顆是冷的棕矮星,另一顆介乎兩者之間。由於棕矮星隨著年齡的增長而變涼,因此溫度差異顯示這些棕矮星的不同年齡。

考慮到棕矮星隨著年齡的增長會加速,這些天體是否經常超過它的自轉速度極限而撕裂?在其它旋轉的宇宙物體(例如:恆星)中,有自然的製動機制可以阻止它們自我毀滅。目前尚不清楚棕矮星中是否存在類似的機制。

任何物體的最大旋轉速度不僅取決於其總質量,還取決於該質量的分佈方式。這就是為什麼當涉及到非常快的自旋速率時,了解褐矮星的內部結構變得越來越重要的原因:內部的物質可能會發生移動和變形,從而改變物體的旋轉速度。與木星和土星等氣體行星相似,褐矮星主要由氫和氦組成。

但是它們也比大多數巨型行星都密度大得多。科學家認為,褐矮星核心中的氫處於如此巨大的壓力之下,它開始表現得像金屬而不是惰性氣體:它具有自由浮動的導電電子,就像銅導體一樣。這改變了熱量以非常快的自旋速度通過內部的傳導方式,也可能影響天文物體內部質量的分佈方式。

但是它們也比大多數巨型行星都密度大得多。科學家認為,褐矮星核心中的氫處於如此巨大的壓力之下,它開始表現得像金屬而不是惰性氣體:它具有自由浮動的導電電子,就像銅導體一樣。這改變了熱量以非常快的自旋速度通過內部的傳導方式,也可能影響天文物體內部質量的分佈方式。

物理學家利用觀測,實驗室數據和數學來建立模型,在極端條件下,看看棕矮星內部和外觀應如何表現。但是目前的模型顯示,最大的棕矮星自轉速度應該比現時發現的一小時自轉週期可以快約50%至80%。

不過這些理論可能還沒有全面了解,有些未重視的因素可能會發揮作用,而這並不能使棕矮星自轉得更快。進一步的觀測和理論研究可能還揭露是否存在某種制動機制,可以阻止棕矮星自我毀滅,以及是否有棕矮星在黑暗的宇宙中,以更快的速度自轉。

【圖:NOIRLabAstro;文:節譯自美國太空總署2021年4月7日新聞公佈】研究全文刊登在2021年3月25日 arXiv 論文預印本網站

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