B呼吸。呼吸。我像念咒语一样对自己重复着这些词。在海拔18400英尺的地方，我的身体渴望氧气，我不得不集中精力将足够的空气吸入肺部。我当时在托科山的山顶，那是一座俯瞰智利查南托高原的层状火山，现在是阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列的所在地，那是世界首屈一指的射电望远镜之一。稀薄的空气和贫瘠的红色山地，让我感觉仿佛置身于火星。我的同事和我正在测试托科山的大气条件。如果条件足够好，它们或许能证明在如此偏远的高海拔地区建造天文台所面临的技术挑战是值得的。
地球大气层是天文学家面临的一个难题，云层让许多观测者感到沮丧。大气湍流会使星光模糊，使恒星在接近地平线时显得摇曳和闪烁。大气中的水蒸气和二氧化碳等分子会吸收入射的星光，尤其是红外光。托科山顶下方有地球一半以上的大气（我的肺部燃烧般地反复提醒着我这一点），我们希望新的、令人兴奋的见解能从那里的一架专用红外望远镜中获得。
引领我登上这座山峰的冒险精神也激发了我对红外天文学的迷恋，科学家们在红外天文学中用人眼看不见的红色光线窥视宇宙。红外光往往来自最暗淡和最遥远的可观测物体。褐矮星是红外线下最容易观察到的一类天体。当我在2000年代初读研究生时，这些天体才刚刚被发现，它们呈现出许多诱人的谜团。我开始被这些神秘的球体所吸引，它们在分类上占据了恒星和行星之间的边界地带。我想知道它们在哪里以及如何形成，以及它们是什么样的。我的研究让我了解到，褐矮星除了本身就很有趣之外，还是我们理解行星和恒星的重要桥梁，它们的温度和质量介于两者之间。现在，我和其他褐矮星天文学家正享受着研究的黄金时期——仍有许多褐矮星等待被发现，我们可以基于之前丰富的研究成果，揭示在这些天体上起作用的物理过程的新细节。我们终于拥有了技术工具来研究褐矮星的大气层，例如，以及它们的风速和自转速度，并尝试确定它们是否甚至可能拥有自己的行星。
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介于两者之间的天体
大多数恒星的能量来自氢聚变成氦，这是一个非常稳定的过程，可以使恒星在数十亿年内保持相同的温度和亮度。但是，如果一颗潜在的恒星永远无法达到维持氢聚变所需的高温或高压，那么它就是一颗褐矮星，其最大质量为太阳的8%，或约为木星质量的80倍。
最近的研究表明，褐矮星几乎和恒星一样常见，而且它们无处不在。在恒星育婴室中，人们发现了与年轻原恒星并存的褐矮星。在与白矮星配对的双星系统中也发现了它们，它们在白矮星之前的红巨星形态中幸存了下来。（我们的太阳，一颗黄矮星，有一天会变成一颗臃肿的红巨星，并在死亡后变成一颗白矮星。）离太阳系最近的一些恒星系统是褐矮星——第三和第四近的太阳系外系统，分别为6.5光年和7.3光年（最近的是半人马座阿尔法星和巴纳德星）。然而，尽管褐矮星如此普遍，但大多数人从未听说过它们。
尽管褐矮星缺乏氢聚变，但它们确实会发光——来自内部热量的热辐射。它们最初相对较热（约为华氏5000度），并在随后的数十亿年中逐渐冷却和变暗。褐矮星永不消亡；它们会永远冷却和消逝。已知最冷的褐矮星的温度低于水的冰点。由于它们非常冷，因此它们发出的大部分光都在红外波长范围内。它们太暗淡了，以至于人眼在我们的夜空中无法看到，但如果我们能够近距离观察它们，它们可能会呈现出暗淡的橙红色或品红色。
在天文学家开始研究褐矮星的二十多年里，我们已经对它们的基本特征形成了相当清晰的认识。与我们的太阳一样，褐矮星几乎完全由氢组成。然而，它们上层大气中的温度足够低，可以形成各种分子。几乎所有的褐矮星中都可见水蒸气的特征。随着它们进一步冷却，它们的大气化学成分会发生变化，不同的分子和云层会占据主导地位。褐矮星大气层的演变取决于它的质量和年龄。例如，想象一颗质量是木星40倍的褐矮星。在最初的1亿年中，它的大气成分将类似于红矮星，其中混合了氧化钛和一氧化碳。在1亿年至5亿年之间，大气层将冷却，并形成由顽火辉石和石英等矿物质组成的尘埃云。大约10亿年后，云层将分解并下沉，甲烷将成为上层大气中主要的分子种类。已知最冷的褐矮星显示出冰水云，以及水蒸气和甲烷的证据。我们预计它的大气层中将含有大量的氨，类似于我们在木星上看到的情况。
然而，除了这些特性之外，关于褐矮星，我们还有很多事情不知道。这些天体的神秘性质激发了一些牵强的想法。褐矮星曾经被认为是暗物质的可能储存库，尽管当人们清楚地认识到褐矮星会发光（也就是说，它们不是暗的）并且它们对我们星系总质量的贡献很小时，这种想法很快就被放弃了。最近，科学家们提出，生命可能在褐矮星大气层凉爽的上层区域形成——褐矮星专家很快否定了这个想法，因为动力学表明，任何生命形式都会循环进入大气层更深层、炎热且不适宜居住的区域。
然后就是尼比鲁灾变骗局，这是1995年提出的一个预言，预测地球与一颗褐矮星之间即将发生灾难性的遭遇。天文学家会非常兴奋地看到一颗近距离的褐矮星，但没有科学证据支持这种末日情景，而且一颗褐矮星在任何近距离遭遇发生之前的数百年或数千年内都是可见的。
第一批褐矮星
科学家们在1960年代根据他们对恒星和行星如何形成的了解预测了褐矮星的存在。似乎应该存在这种中间类别，但天文学家在天空中没有发现任何这样的天体。事实证明，褐矮星非常非常暗淡，而且它们发出的大部分光都是红外线。而红外技术仍处于起步阶段——还无法胜任这项任务。然后是1995年，对于天文学来说是重要的一年。天文学家米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹发现了飞马座51b，这是已知的第一颗围绕普通恒星运行的系外行星。也许更重要的是，至少对于这位带有偏见的作者来说，第一批褐矮星被发现了。
泰德1号是在著名的昴星团中被发现的。天文学家拉斐尔·雷博洛·洛佩斯、玛丽亚·罗莎·萨帕特罗-奥索里奥和爱德华多·L·马丁首先在加那利群岛泰德天文台的0.80米望远镜的光学图像中发现了它。这个天体很年轻，仍在从其形成过程中发出微弱的光芒。该团队观察到其大气层中几种元素的特征，包括锂。* 恒星通常在形成后不久就会燃烧掉锂，因此这一惊人的发现证明核聚变没有发生。他们在1995年9月发表了他们的发现。
图片来源：Ron Miller（天体和大气层）和 Jen Christiansen（赫罗图）插图
两个月后，天文学家宣布发现了第二颗褐矮星，格利泽229B，它是另一颗恒星的伴星。加州理工学院和约翰·霍普金斯大学的一组天文学家首先在帕洛玛天文台的红外图像中看到了这个天体。他们立即意识到它很奇怪。它具有不寻常的颜色，并在其大气层中显示出甲烷的特征。存在甲烷的条件一定非常寒冷，因为这种高活性分子通常在较高温度下会变成一氧化碳。后来的观测表明，这颗褐矮星的宽度与木星大致相同，直径接近129000公里，但密度要大得多，质量是木星的70倍。
到2000年我开始读研究生时，我们已经知道更多的褐矮星，尽管数量不多。我专注于建造红外仪器，我需要一个研究课题。我的博士生导师研究恒星形成，所以我决定在恒星形成区域寻找褐矮星。我最终在我的论文工作中发现了很多褐矮星，其中包括一些质量接近行星范围的已知的第一批褐矮星。当时我们不知道这些东西是如何形成的，也不知道是否存在较低的质量阈值，但我们开始发现越来越小的天体。
总而言之，我的论文工作发表了不到20项新的褐矮星发现，但它们对已知的总数做出了重大贡献。从那时起，新的仪器发现了更多更多的褐矮星。主要的贡献者是2微米全天巡天（2MASS），这是一项在2000年代初进行的红外巡天，以及广域红外巡天探测器（WISE），这是一架于2009年发射的太空望远镜。目前褐矮星的总数约为3000颗。还有更多有待发现——估计银河系包含250亿至1000亿颗褐矮星。
形成情景
作为恒星形成过程的最低质量结果，褐矮星为天文学家提供了一个独特的机会，来加深我们对恒星和行星诞生所涉及的基本步骤的理解。恒星在气体（主要是分子氢）和尘埃的复合体中形成，这些复合体被称为分子云。如果分子云包含足够的质量，引力可以克服支撑云层的气体压力，并导致其坍缩成恒星。在坍缩过程中，云层中任何少量的旋转都会被放大，很像花样滑冰运动员在收回手臂时旋转得更快一样。云物质的这种旋转导致形成了围绕新生恒星的星周物质盘，然后星周盘成为行星形成的熔炉。
当褐矮星首次被发现时，天文学家认为它们可能以类似于恒星形成的过程形成，但他们困惑于如此小的质量的引力是如何克服气体压力并引发坍缩的。在撰写这篇文章时，我回顾了我职业生涯早期的部分资助和望远镜提案，其中大多数旨在更好地了解褐矮星的形成机制。当时有几种相互竞争的想法。一些理论涉及在恒星达到最终质量之前破坏恒星的形成。也许某些过程物理地移走了褐矮星或烧掉了其诞生的环境，留下了一颗微型恒星？
其他假设则认为恒星形成过程的规模缩小了，或者行星形成过程的规模扩大了。这是一个使用各种可能的理论来做出不同、可检验的预测的绝佳例子。当我们发现褐矮星周围星周盘的普遍存在，确定了各种环境中恒星和褐矮星质量的分布，并绘制了双星系统中褐矮星轨道的图谱时，人们清楚地认识到，大多数褐矮星似乎像规模缩小的恒星一样形成——但来自较小的气体储库。而褐矮星形成星周盘这一事实引发了一个诱人的可能性，即它们拥有行星。尽管我们从未确切地看到过任何行星，但行星很可能在这些星周盘中生长，就像它们在恒星周围生长一样。科学家们希望未来几年最终能看到围绕褐矮星运行的世界得到证实。
最近，研究人员发现了孤立的褐矮星，其质量与巨行星的质量相似（小于木星质量的13倍），这再次引发了它们是如何形成的疑问。其中一些行星质量的褐矮星是否可能起源于质量更大的恒星的星周盘中——换句话说，就像行星一样形成？
为了测试行星质量天体形成的机制，我的同事和我提出了一个使用哈勃太空望远镜进行的巡天计划。由于哈勃望远镜在轨道上运行，它可以避免地球大气层对光线的涂抹和吸收，这使其成为拍摄褐矮星双星系统的理想选择。通过这项巡天，我们在2020年发现了一个独特的褐矮星系统，该系统有力地支持了行星质量天体的恒星状形成机制。该系统Oph 98 AB在宇宙尺度上非常年轻（三百万年），其两个组成部分的质量分别为木星质量的15倍和8倍。这些质量极小的天体的距离是地球与太阳之间距离的200倍。由于Oph 98 A和B如此轻且彼此相距如此遥远，因此该系统具有任何已知双星系统中最低的引力束缚能。微弱的束缚能意味着这些天体必定是在它们目前的方位形成的，而不是起源于其他地方并在后来成为一对，这指向了恒星状的形成机制。该系统的年轻年龄（是的，我们认为三百万年很年轻！）意味着行星质量天体的形成显然不比恒星花费更多的时间。
新的见解
褐矮星科学现在已经达到了一个阶段，我们能够进行更精确的测量，并提出比以往任何时候都更详细的问题，来探究这些仍然神秘的天体。最近最有趣的发现之一是最冷的褐矮星，被称为Y矮星。这些天体的温度范围从华氏350度到零下华氏10度。在研究Y矮星时，我喜欢开玩笑说我正在研究星系中最冷的系统！尽管不如木星那么冷（零下华氏234度），但这些Y矮星使我们能够首次对褐矮星和太阳系巨行星的大气层进行有意义的比较。Y矮星很难观测，因为它们既冷又非常暗淡。它们发出的光主要在红外波段，波长为3到5微米，地球大气层使这个波段的观测变得困难。
尽管如此，我的同事和我还是发表了几颗Y矮星的光谱，并使用理论模型来推断冰水云的存在，以及大气层中大量的垂直混合。在相同的波长范围内，木星也发出自己的光（而不仅仅是反射太阳的光），并且也显示出显著的垂直混合。我们希望通过研究Y矮星，我们能够解开木星的性质，这些性质来自于它的行星性质——换句话说，它是在我们太阳的星周盘中形成的，并且不断地被阳光照射——以及可能在寒冷的气态天体中普遍存在的性质，无论是行星、系外行星还是褐矮星。到目前为止，我们的研究表明，高度动态的大气层往往是常态。
这些关于褐矮星大气层的见解催生了一个新的子领域：系外气象学。尽管褐矮星离我们太远，我们无法用肉眼观察它们的大气特征，但我们可以通过亮度的变化看到它们的印记。当云层或其他特征旋转进出视野时，它会改变来自褐矮星的光线。天文学家分析了褐矮星在多次旋转过程中的亮度变化，并绘制了它们的斑点和条带图，这些图看起来非常像我们太阳系巨行星上熟悉的条纹和风暴。一些褐矮星的亮度在一个旋转周期内变化高达25%。这些研究的结果正在引导我们更好地理解更广泛的大气过程——我们发现，温度在云层分解温度附近的褐矮星显示出较大的亮度变化，而年轻的天体往往显示出更大的亮度变化。
科学家们还发现了褐矮星和气态巨行星之间的其他相似之处。例如，两者往往都具有强大的磁场和极光，这可以通过射电观测到的带电粒子在其磁场中螺旋运动的特征来揭示。测得的褐矮星磁场强度是木星磁场强度的1000倍，是地球磁场强度的10000倍。我喜欢想象从这些褐矮星之一看到的夜空会是什么样子——考虑到地球北极光的壮丽景象，那很可能是一个壮观的景象。
最近，一位学生的问题促使另一个项目来研究褐矮星上的大气层与行星上的大气层有何不同。当我在天文学导论课程中授课时，我们会讲到太阳系的行星（当然，我也会穿插很多关于褐矮星的信息）。我提出的一个小知识点是，木星一天的长度取决于你如何测量它。如果你记录木星赤道区域可见特征的运动，你会测得的自转周期比射电信号中测得的自转周期短五分钟，射电信号探测的是木星的内部自转。一位学生问我为什么会出现这种自转周期差异，我回答说，这是因为木星的赤道特征被强大的纬向风推动。地球上的风是由太阳能的重新分配驱动的，但我们不确定这在多大程度上适用于木星的风。
课后，我开始进一步思考这个问题。天文学家已经测量了褐矮星中的射电辐射，这与木星射电辐射的机制相同，因此我们可以测量内部自转周期。我们可以使用我们监测亮度变化的方法来测量大气层的自转周期。因此，我萌生了一个想法，即首次测量褐矮星上的风速。我们尝试该技术的最佳候选者是一颗具有已证实射电辐射的甲烷褐矮星。为了确定风速，我们需要将两个周期都精确到小于30秒。我的同事和我提交了一份提案，要求使用斯皮策太空望远镜来测量褐矮星的亮度变化，并申请使用位于新墨西哥州的卡尔·G·央斯基甚大阵列来测量更精确的射电周期。我们的测量结果显示周期差异仅为一分多钟，这相当于每小时2300公里的风速，这仍然感觉像一个小小的奇迹。我们去年在《科学》杂志上发表了我们的发现。这颗孤立的褐矮星上的高风速意味着大气风并不总是由太阳能的重新分配驱动，这使得木星的风是否由太阳驱动的问题仍然悬而未决。
天文学家继续寻找更多的褐矮星。一些巡天侧重于通过对整个天空进行深度成像巡天来识别大量的褐矮星样本，例如2MASS、WISE和全景巡天望远镜和快速反应系统（Pan-STARRS）。公民科学家也通过“后院世界”等项目参与到搜索中，该项目允许任何人检查WISE数据以寻找褐矮星和其他移动天体的迹象。我们预计，即将到来的维拉·C·鲁宾天文台（计划于明年年初开始观测）和南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（将于2025年发射）的大型巡天将努力进一步完成我们对褐矮星的普查。
遗憾的是，我们未能获得托科山望远镜的资金，它也从未建成。但是，一旦詹姆斯·韦伯太空望远镜在今年晚些时候发射升空，天文学家将以前所未有的方式在红外线下观察褐矮星，而不会受到地球大气层的干扰。计划中的第一轮观测包括研究Y矮星大气化学成分和尘埃褐矮星云层成分的项目，甚至还有一项搜索褐矮星周围行星系统的项目。对于我们这些研究宇宙中最容易被忽视的天体的人来说，激动人心的时刻肯定即将到来。
*编者注（2021年10月18日）：这句话在发布后经过编辑，以更正对泰德1号大气层中锂和其他元素的观测描述。