宇航局韦伯望远镜发现了最小的自由漂浮褐矮星

利用宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜，天文学家发现了像恒星一样形成的最小天体的新纪录保持者：一颗微小的、自由漂浮的褐矮星，其质量仅为木星的三到四倍。今天(12 月 13 日) 《天文学杂志》上发表了一篇描述观测结果的论文。

褐矮星是横跨恒星和行星之间分界线的天体。它们像恒星一样形成，密度足够大，可以在自身引力作用下坍缩，但它们的密度和温度永远不会达到足以开始融合氢并变成恒星的程度。另一方面，行星是在恒星周围的气体和尘埃盘中形成的。在天平的低端，一些褐矮星的质量可与巨行星相媲美，其重量仅为木星质量的几倍。

“在每一本天文学教科书中你都会发现的一个基本问题是，‘最小的恒星是什么?’”该研究的主要作者、宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学院天文学和天体物理学教授凯文·卢曼(Kevin Luhman)说。“这就是我们试图回答的问题。”

为了找到这颗新发现的褐矮星，卢曼和他的同事、欧洲航天局的卡塔琳娜·阿尔维斯·德奥利维拉选择研究星团 IC 348，该星团位于英仙座恒星形成区域，距离我们约 1,000 光年。这个星团很年轻，只有大约500万年的历史。因此，任何褐矮星在红外光下仍然相对明亮，由于其形成的热量而发光。

研究小组首先使用韦伯的近红外相机( NIRCam )对星团中心进行成像，以根据亮度和颜色识别褐矮星候选者。他们使用韦伯的近红外光谱仪 ( NIRSpec )微快门阵列跟踪最有希望的目标。

研究人员解释说，韦伯的红外灵敏度至关重要，使团队能够探测到比地面望远镜更暗的物体。此外，韦伯敏锐的视力使他们能够确定哪些红色物体是精确的褐矮星，哪些是斑点背景星系。

这一风选过程产生了三个有趣的目标，其质量是木星质量的三到八倍，表面温度在 1,500 到 2,800 华氏度(830 到 1,500 摄氏度)之间。根据计算机模型，其中最小的重量仅为木星的三到四倍。

研究人员表示，解释如此小的棕矮星如何形成在理论上具有挑战性。沉重而致密的气体云有足够的引力来塌缩并形成恒星。然而，由于较小的云层引力较弱，它们应该更难塌缩形成褐矮星，对于拥有巨行星质量的褐矮星来说尤其如此。

“目前的模型很容易在恒星周围的圆盘中形成巨大的行星，”观测计划首席研究员阿尔维斯·德奥利维拉说。“但在这个星团中，这个物体不太可能形成一个圆盘，而是像一颗恒星一样形成，而三个木星的质量比我们的太阳小300倍。所以，我们不得不问，恒星形成过程是如何在如此非常非常小的质量下进行的?”

除了提供有关恒星形成过程的线索外，微小的褐矮星还可以帮助天文学家更好地了解系外行星。质量最小的棕矮星与最大的系外行星重叠，因此预计它们具有一些相似的特性。然而，自由漂浮的褐矮星比巨大的系外行星更容易研究，因为后者隐藏在其主恒星的光芒中。

此次调查中发现的两颗褐矮星显示出一种未识别的碳氢化合物或同时含有氢和碳原子的分子的光谱特征。宇航局卡西尼号任务在土星及其卫星泰坦的大气层中也检测到了相同的红外特征。它也在星际介质或恒星之间的气体中被发现。

“这是我们第一次在太阳系外物体的大气层中检测到这种分子，”阿尔维斯·德奥利维拉说。“褐矮星大气层模型并不能预测它的存在。我们正在研究比以前更年轻、质量更小的物体，并且我们看到了一些新的和意想不到的东西。”

由于这些物体完全在巨行星的质量范围内，这就提出了一个问题：它们是否真的是褐矮星，或者它们是否真的是从行星系统中喷射出来的流氓行星。虽然研究小组不能排除后者，但他们认为它们更有可能是一颗褐矮星，而不是一颗被喷射的行星。

研究人员表示，由于两个原因，不太可能出现一颗被弹出的巨行星。首先，与质量较小的行星相比，此类行星通常并不常见。其次，大多数恒星都是低质量恒星，巨行星在这些恒星中尤其罕见。因此，IC 348 中的大多数恒星(低质量恒星)不太可能产生如此巨大的行星。此外，由于该星团只有 500 万年的历史，巨行星可能没有足够的时间形成并从其系统中弹出。

研究人员表示，发现更多此类物体将有助于澄清它们的状态。理论表明，流氓行星更有可能在星团的外围被发现，因此扩大搜索区域可能会识别出它们是否存在。

未来的工作可能还包括更长时间的调查，以探测更暗、更小的物体。该团队进行的简短调查预计将探测到质量为木星两倍的小物体。更长时间的勘测可能会到达小至木星一质量的物体。

“如果喷射的巨行星确实存在于像这样的年轻星团中，韦伯应该能够找到它们，”卢曼说。