韦布望远镜发现了最小褐矮星

褐矮星（brown dwarfs）是一种介于恒星和行星之间的天体，又被称为“失败的恒星”。它们的形成类似恒星，在发展过程中密度越来越大，最终在自身的引力作用下坍缩，但它们的密度和温度又没有达到足以维持氢融合反应的高度，因此无法变成恒星。在轻量级“选手”中，有些褐矮星与巨行星相当，其质量仅为木星的几倍。

最小的恒星是什么？

天文学家们正在努力寻找能够以类似恒星方式形成的最小天体。一个使用美国航空航天局（NASA）詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）的研究团队确认了最新记录保持者：一颗自由浮动（free-floating）的微小褐矮星，其质量只有木星的三到四倍。

“在每本天文学教科书上你都能找到一个基本问题：最小的恒星是什么？”美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的凯文·卢曼（Kevin Luhman）解释说。

搜寻策略

为了找到这颗褐矮星，卢曼和他的同事卡塔里娜·阿尔维斯·德奥利韦拉（Catarina Alves de Oliveira）选择研究位于约1000光年外英仙座（Perseus）恒星形成区的IC 348星团。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都会相对明亮，因为它们在形成过程中散发着热量。

研究团队首先使用韦布望远镜的近红外相机（Near-Infrared Camera，NIRCam）对星团中心进行了成像，从亮度和颜色上识别出潜在的褐矮星。然后，他们利用韦布望远镜的近红外摄谱仪（Near-Infrared Spectrograph，NIRSpec）微型快门阵列对最有可能是褐矮星的目标进行了跟踪。

这张图片来自NASA詹姆斯·韦布空间望远镜上的近红外相机（NIRCam），显示的是星团IC 348星团的中心部分。图像中一缕一缕梦幻的结构是反射星团恒星光线的星际物质，也就是所谓的反射星云（reflection nebula）。这些物质还包括被称为多环芳烃（PAHs）的含碳分子。来自星团中质量最大恒星的风可能是图中右侧呈现絮状大环的原因。图片来源：NASA，ESA，CSA，空间望远镜科学研究所（STScI），凯文·卢曼（宾夕法尼亚州立大学），以及卡塔里娜·阿尔维斯·德奥利韦拉（ESA）

韦布望远镜的红外灵敏度极为重要，它使研究团队能够探测到比地面望远镜更暗的天体。此外，韦布望远镜敏锐的成像能力使他们能够确定哪些红色天体是点状的褐矮星，哪些是球状的背景星系。

经过筛选，他们发现了三个引人入胜的目标，它们的质量在3~8个木星质量之间，表面温度在830~1500摄氏度之间。根据计算机模型，其中最小的褐矮星质量仅为木星的三到四倍。

要解释如此小的褐矮星是如何形成的，在理论上具有很大的挑战性。高密度的厚重气体云可以产生足够的引力，最终坍缩形成恒星。然而，由于褐矮星质量较小，引力较弱，小型气体云理论上更难坍缩形成褐矮星，对于质量仅相当于巨行星的褐矮星来说尤其如此。

欧洲航天局（ESA）的卡塔里娜·阿尔维斯·德奥利韦拉是此次观测项目的首席研究员。她表示：“依据目前的模型，巨行星很容易在恒星周围的圆盘中诞生。但在IC 348星团中，这个天体不太可能在一个圆盘中形成，而是像恒星一样形成，而它的质量只有三倍木星的质量，还不到太阳质量的三百分之一。因此我们不禁要问，在质量如此之小的情况下，恒星的形成过程是如何进行的呢？”

神秘的分子

除了提供恒星形成过程的线索，微型褐矮星还能帮助天文学家更好地了解系外行星。质量最小的褐矮星与质量最大的系外行星有所重叠，因此，它们应该具有一些类似的特性。不过，自由浮动的褐矮星比巨大的系外行星更容易研究，因为后者隐藏在了主恒星的强光之中。

这次巡天中发现的褐矮星里，有两颗显示出了一种不明碳氢化合物（含有氢原子和碳原子的分子）的光谱特征。NASA的卡西尼号（Cassini）任务在土星及其卫星土卫六（Titan）的大气层中也探测到了同样的红外特征。在星际介质或恒星之间的气体中也观察到过这种现象。

“这是我们第一次在太阳系外天体的大气中检测到这种分子。”阿尔维斯·德奥利韦拉解释说，“褐矮星大气模型并不能预测它的存在。我们正在观测比此前研究过的年龄更小、质量也更小的天体，发现了一些意想不到的新东西。”

这张图片来自NASA詹姆斯·韦布空间望远镜上的近红外相机（NIRCam），显示的是IC 348星团的中心部分。天文学家在这个星团中搜寻自由浮动的微小褐矮星：这些天体小得不像恒星，但比大多数行星都要大。他们发现了三颗质量不到木星八倍的褐矮星，也就是主图中被圈出来的三颗，右侧则是放大后的详细图像。这三颗中最小的一颗质量仅为木星的三到四倍，对恒星形成理论提出了挑战。图片来源：NASA，ESA，CSA，空间望远镜科学研究所（STScI），凯文·卢曼（宾夕法尼亚州立大学），以及卡塔里娜·阿尔维斯·德奥利韦拉（ESA）

褐矮星还是流浪行星？

由于这些天体的质量仍处在巨行星的质量范围之内，这就提出了一个问题：它们究竟是褐矮星，还是从行星系统中喷射出来的流浪行星（rogue planet，又称星际行星）？虽然研究团队不能排除后者的可能性，但他们认为它们是褐矮星的可能性要远远大于是被抛射出来的行星。

之所以不太可能是弹射出的巨行星，原因有二。首先，与质量较小的行星相比，这种行星一般并不常见。其次，星团中的大多数恒星都是低质量恒星，而巨行星在这些恒星中尤其罕见，也就是说，IC 348星团中的大多数恒星（都是低质量恒星）都不太可能产生如此大质量的行星。此外，由于这个星团只有500万年的历史，巨行星可能还没有足够的时间让形成然后被抛出系统。

发现更多这样的天体将有助于弄清它们的状态。理论认为，流浪行星更有可能在星团的外围被发现，因此如果IC 348星团内存在流浪行星，扩大搜索范围后它们可能就会现身。

未来的工作可能还包括进行更长时间的巡天，以探测更暗、更小的天体。研究团队进行的短期巡天有望探测到质量仅为木星质量两倍的天体；更长时间的巡天可以轻松找到一倍木星质量的天体。

这些观测是保证时间观测（Guaranteed Time Observation）计划1229的一部分。观测结果发表在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上。

詹姆斯·韦布空间望远镜是世界上最重要的太空科学观测站之一。韦布望远镜正在揭开太阳系的神秘面纱，眺望其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，解析人类在宇宙中的位置。韦布望远镜是一项国际计划，由NASA领导，其合作伙伴包括欧洲航天局（European Space Agency）和加拿大航天局（Canadian Space Agency）。

参考来源：[1] NASA’s Webb Identifies Tiniest Free-Floating Brown Dwarfhttps://www.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-identifies-tiniest-free-floating-brown-dwarf/[2] K. L. Luhman et al 2024 AJ 167 19