韦布太空望远镜意外发现21颗褐矮星

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原作：Evan Gough

翻译：胡敏

校译：何永强

编排：简稚珉

后台：李子琦

原文链接：https://phys.org/news/2023-09-jwst-accidentally-brown-dwarfs.html

图注：美国宇航局（NASA）哈勃天文望远镜和斯皮策天文望远镜观测到的2MASSJ22282889-431026褐矮星艺术图示（和行星相比，褐矮星温度更高、质量更大，但是这个质量又不足以使其成为恒星）。

图源：NASA

作为人类最为强大的太空望远镜，韦布太空望远镜（JWST）一经发射，人们就对其收集的数据满怀期待。韦布不负众望，已传输了大量珍贵的数据，这些数据来源于其探测古老星系、发现系外行星大气物质以及勘察恒星形成区的过程中。和其他天文望远镜相比，韦布提供的这些信息更为详细、精准度更高。

新太空望远镜即将执行任务之际，天文学家总是激动万分，不仅仅是因为他们可能会看到一些预料之中的，还因为他们可能会看到一些意想不到的东西。和其他望远镜一样，韦布太空望远镜在其遨游苍穹之时也发现了一些出人意料的东西，那是21颗褐矮星！

褐矮星是种“中间”天体，有时也被称为“失败的恒星”。褐矮星的质量比气态巨行星有余，但是比恒星不足。终其一生，其质量永远不会使其发生氢聚变，而这又是成为主序星的必经之路。

褐矮星既不是行星也不是恒星，似乎也不怎么有趣。但是褐矮星是自然的一部分，必然有其存在的道理、运行的规则。因此，在科学层面，研究褐矮星有诸多理由。“选择褐矮星作为研究对象对于探索恒星早期质量函数、理解双星系统演化以及增加对可能存在宜居行星的恒星的普查都至关重要，”新发表论文的作者解释道。

该论文题为《JADES和CEERS河外计划中的褐矮星》，在arXiv预印本平台可以浏览。第一作者是斯图尔特天文台的研究助理教授Kevin Hainline。

褐矮星发射的光大部分是红外光，而这又是韦布容易捕捉的。但是对于强大的韦布来说，观测褐矮星依旧很困难，这21颗褐矮星是在韦布执行其他两项巡天时发现的，而这些任务并不专门研究褐矮星。

JADES是韦布高级河外星系深空巡天计划（JWST Advanced Deep Extragalactic Survey），CEERS是宇宙演化早期辐射科学研究（Cosmic Evolution Early Release Science Survey）。这两个研究均关注的是遥远的古老星系，这也是韦布太空望远镜早期的科学目标之一。而这些褐矮星就隐藏在这些数据中。

这些数据结果很是重要，因为这些褐矮星的位置不同寻常。人们知道的褐矮星大多位于太阳系附近，这也是因为那里更容易观测。但问题也随之出现，这些样本都集中在同一星系的一个区域，科学家们不可能据此得出一个肯定的结论，他们需要的是具有代表性的优秀样本。

“在这个位置新发现的褐矮星有助于我们了解银河系的恒星演化”作者在文中这样写道。新发现的21颗褐矮星大多位于银盘（银河系可见物质的主要密集部分，外形呈扁平圆盘状1）和银晕（银河系中包围着银盘、物质密度比银盘低的扁球形区域2），距地球有0.1到4.2个千秒差距，差不多360光年到13,700光年之间。

图注：褐矮星比恒星不足，比行星有余。

图源：Credit: NASA/JPL-Caltech

这些研究结果也揭示了我们对褐矮星的了解程度——真的是缺乏了解，但这不足为奇，早在上世纪60年代，褐矮星作为理论性知识被提出，但是直到90年代中期，一些不太清晰的探测结果才出现。天体物理学家现在仍在探索褐矮星衍生的地方。

有些褐矮星在星系中的位置，尤其是在银晕那里，和我们之前的认识是不一致的。“新发现的褐矮星大部分位于银盘，但是我们竟然在银晕发现了4颗”研究者写道，“这些和星系模型不相符合”。它们的大气光谱也和现有模型不同。

研究团队是在JADES和CEERS项目第一年传输的数据中发现的这些褐矮星。很有可能，在以后，他们还会发现更多，特别是在这个过程中，韦布天文望远镜凸显了其滤镜在探测褐矮星的重要作用。真正有趣的东西可能在未来出现。“考虑到它们在银河系中的位置，这些源为韦布近红外线声谱仪的后续观测提供了一个令人兴奋的机会”作者如此解释道。

最近，《天体物理学报》的一篇文章公布了韦布探索到的褐矮星的原始观测结果。该文章的题目是《韦布天文望远镜探测到的Y型褐矮星光谱能量分布》（褐矮星有四种光谱类型：M、L、T和Y型）这些观测数据和理论有冲突之处。“这个发现对理论模型发出了挑战，这也说明进行更多的宇宙观测愈发重要”作者写道。所以需要借助韦布天文望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）和中红外仪器（MIRI）观测更多的褐矮星。

褐矮星依旧是难以发现的，和主序星相比，他们发出的光难以检测到，且质量很小。一些褐矮星质量是木星的80倍，尽管其半径和木星半径差不多。但是这种质量对于恒星来说，是不够的。但是发现并且详细研究这些褐矮星对于了解恒星和行星形成具有重要意义。幸运的是，天文学家准备探索更多的褐矮星以此填充知识盲区。

研究中发现的21颗褐矮星都来源于用于研究其他星系的巡天数据，在银河系之外，这些巡天本就是用来探测银河系之外的天体的，这样还可以减少银河系恒星的干扰。没想到，竟迎来了意外之喜。

图注：距离地球最近的褐矮星Luhman 16B的热图。该天体距离地球6.5光年，于2013年观测发现，这也证明发现一颗褐矮星是多么难。

图源：ESO/I. Crossfield

“虽然银河系外的深场被设计成指向银河系平面外，以尽量减少恒星污染，使用韦布天文望远镜进行观测收集到的数据证明在银盘之外仍有很多褐矮星”论文中有这样的观点。

围绕褐矮星仍有许多未解之谜。褐矮星在形成的时候，也和恒星一样，孕育于一个盘中。假设行星也是这样从恒星周围这样诞生的，也是不无道理的。但是和恒星的盘相比，褐矮星的盘质量很小，半径还小。这样的环境更容易产出向地球一样的类地行星而不是气体巨型行星，但是只有观测结果才能说明到底如何。

褐矮星既不是恒星也不是行星，且其发展历程非常奇怪。天体物理学家认为褐矮星在形成后1亿到5亿年后会冷却，其大气层会发生奇怪的变化，一些物质会在此形成。

很明显，论文作者对未来的褐矮星探测充满期待。有些学者预测银河系有250亿到1000亿颗褐矮星，而我们只是处于完善褐矮星知识的初级阶段，随着天文学家研究更多，我们会理解褐矮星在宇宙中的运行规则。

“我们期待未来几十年内能发现更多的褐矮星，这对于了解恒星和行星形成具有启示作用”。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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图注：詹姆斯·韦伯太空望远镜对赫比格·哈罗211的高分辨率、近红外观测揭示了一颗年轻恒星流出的精细细节，这颗恒星是我们太阳的婴儿期模拟物。

图源：ESA/Webb, NASA, CSA, T. Ray (Dublin Institute for Advanced Studies)

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