什么？研究行星大气得去看褐矮星？

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编译：雷丰图

参考文章：https://hubblesite.org/contents/news-releases/2021/news-2021-028

校对：牧夫天文校对组

排版：雷丰图

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳

褐矮星相当于宇宙中的"四不像”。对比行星它们的质量过大，但对比恒星又不能在核心维持核聚变。许多褐矮星都是流浪型的。它们不绕着恒星运行，而是作为独行侠在群星中漂泊。

天文学家们想知道这些不听话的物体是如何组合起来的。它们是否与木星这样臃肿的气态巨行星有某种亲缘关系？研究褐矮星比研究附近的木星要困难得多。我们可以向木星发送航天器。但是天文学家需要跨越许多光年来窥视褐矮星的大气层。

研究人员利用位于夏威夷的W.M.Keck巨型天文台，在红外光下观察附近的一颗褐矮星。与木星不同，这颗年轻的褐矮星温度非常高，以至于其星体从里到外都在发光，看起来就像一个雕刻好的“万圣节南瓜”。由于这颗褐矮星大气层中有散布的云层，从其表面照射来的光线会有波动。研究人员对这一现象进行了测量和分析。他们发现，该矮星的大气层有一个层饼结构，不同高度的云层有不同的成分。

Credit: NASA / CXC / M. Weiss

木星是太阳系行星中的巨无霸。但是，与其它恒星系统发现的许多巨行星相比，它只能算个小个子。

这些被称为超级木星的外星世界里，其质量可达木星的13倍。天文学家对这些巨兽的构成做出了一些分析。但是很难对它们的大气层进行详细的研究，因为这些气态巨行星“淹没”在母星发出的强光中。

因而，研究人员找到了一个替代品：褐矮星的大气层，即所谓的失败恒星，其质量高达木星的80倍。

比起恒星，褐矮星与超级木星倒更像是亲属。这两种天体有着类似的温度，而且质量极大。它们也有复杂多样的大气层。天文学家认为，唯一的区别是它们的起源。超级木星是在恒星周围形成的；而褐矮星通常是在孤立的情况下形成的。

开普勒-13Ab质量约为木星质量的六倍，是非常典型的超级木星之一。

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

由马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的Elena Manjavacas领导的一个天文学家小组测试了一种新方式来窥视这些流浪天体的云层。研究人员使用夏威夷凯克天文台的一台仪器，用近红外光研究附近自由漂浮的褐矮星（2MASS J22081363+2921215）的层饼云结构的颜色和亮度变化。

凯克天文台的仪器，被称为红外探索多目标光谱仪（MOSFIRE），还分析了云层中包含的各种化学元素的光谱指纹，以及它们如何随时间变化。这是天文学家第一次将MOSFIRE仪器用于这种类型的研究。

这些测量为Manjavacas提供了一个褐矮星大气云层的整体视图，提供了关于此类天体更多的细节。这种技巧最早是由哈勃望远镜完成的，地面望远镜由于地球大气层的干扰，会吸收某些红外波长。这种吸收率会因天气而改变，因此达不到令人满意的精度。

这项研究的最大功臣MOSFIRE（左），以及光在其内部的路径示意图（右）。

credit: Keck Observatory/ULCA

Manjavacas解释说："从地面上做到这一点的唯一方法是使用高分辨率的MOSFIRE仪器，因为它允许我们同时观测多个恒星与我们的褐矮星。"这使我们能够纠正地球大气层的干扰，并以良好的精度测量来自褐矮星的真实信号。因此，MOSFIRE可以对褐矮星大气进行这些类型的研究。"

研究人员决定研究这个特殊的褐矮星，因为它非常年轻，在未来的一段时间内都不会冷却并保持很高的亮度。且它的质量和温度与附近的巨型系外行星绘架座βb相似，后者是在2008年由欧洲南方天文台位于智利北部的甚大望远镜拍摄的近红外图像中发现的。

Manjavacas说："以目前的技术，我们还没有能力详细地分析绘架座βb的大气。"因此，我们正通过 对这颗褐矮星大气层的研究，来了解系外行星大气层的结构。

这颗褐矮星和绘架座βb都很年轻，所以它们在近红外线波段辐射出大量的热量。它们都属于绘架座β移动星群，有着相同的起源和在空间中的相互运动关系。该群体由一群恒星和亚恒星物体组成，大约有3300万年历史，是离地球最近的年轻恒星群。它大约位于115光年之外。虽然它们比真正的恒星要冷，但褐矮星仍然非常热。Manjavacas研究中的褐矮星温度高达1,527摄氏度。

这个巨大天体的质量约为木星的12倍。作为一个年轻的天体，它的自转速度惊人，每3.5小时完成一次旋转，而木星的旋转周期为10小时。因此，在它旋转中形成一个动态的、动荡的大气层。

目前科学家拟定的褐矮星大气云层成分图，从高到低分别为碘化钾（距表面386千米）、硅酸镁（距表面331千米）、以及氧化铝(距表面269千米）。整个大气层厚达718千米

Credit：NASA, ESA, STScI, Andi James (STScI)

凯克天文台的MOSFIRE仪器盯着这颗褐矮星观测了2.5个小时，观察从这颗矮星的高温内部透过大气层的光线如何随着时间的推移而变亮和变暗。出现在旋转物体上的亮斑表明研究人员可以看到大气层深处的区域，那里的温度更高。红外线使天文学家能够更深入地观察。观察结果表明，这颗褐矮星有一个散布着云层的斑驳大气层。

它的光谱显示云中包含了热沙粒和其他地外元素。碘化钾示踪了该星体的高层大气，其中还包括硅酸镁云。在大气层中向下移动是一层碘化钠和硅酸镁云。最后一层由氧化铝云组成。大气层的总深度为718千米。Manjavacas说，检测到的元素代表了一个典型的褐矮星大气成分。她的团队使用褐矮星大气层的计算机模型来确定每个云层中的化合物的位置。

Manjavacas的后续计划是利用凯克天文台的MOSFIRE来研究其它褐矮星的大气层，并将它们与气态巨行星的大气层进行比较。未来的望远镜，如美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜，一个定于今年晚些时候发射的红外观测站，将提供有关褐矮星大气的更多信息。"Manjavacas说："JWST将为我们提供整个大气层的结构，提供比任何其他望远镜更广的覆盖范围。

研究人员希望MOSFIRE能够与JWST一起使用，对广泛的褐矮星进行采样。其目的是更好地了解褐矮星和巨行星。

责任编辑：毛明远

牧夫新媒体编辑部

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处女座漩涡星系NGC 5037，距地球约1.5亿光年。尽管距离如此遥远，通过哈勃望远镜的哈勃广域相机三号（WFC3），我们仍能清晰地看到其精美的结构。

Credit: ESA/Hubble & NASA, D. Rosario

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