韦伯揭示火焰星云中最小的“准恒星”

新的恒星普查回答了这个问题：恒星和棕矮星形成时可以达到多小？火焰星云是猎户座分子云复合体的一部分，是一个备受研究的区域，也是新恒星的诞生地。像美国宇航局的哈勃太空望远镜这样的望远镜已经对其进行了多年的观测，但隐藏在其致密尘埃核心深处的最小恒星至今仍无法触及——直到现在。

火焰星云的这组拼贴图片左侧展示了美国宇航局哈勃太空望远镜拍摄的近红外图像，右侧两幅插图展示了美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的近红外图像。哈勃图像中的大部分暗态致密气体和尘埃，以及周围的白色云层，在韦伯图像中都清晰可见，让我们能够看到一片更加透明的云层，云层中穿梭着产生红外线的天体，这些天体是年轻的恒星和棕矮星。天文学家利用韦伯望远镜对这片恒星形成区域内的最低质量天体进行了普查。图片来源：美国宇航局、欧空局、加拿大空间局、空间望远镜研究所、迈克尔·迈耶（密歇根大学）、马修·德·弗里奥（德克萨斯大学奥斯汀分校）、马西莫·罗伯托（空间望远镜研究所）、艾丽莎·佩根（空间望远镜研究所）

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜利用其强大的红外能力，首次探测并统计了该区域最暗淡、最小的天体，帮助天文学家确定形成棕矮星所需的最小质量。

这段动画交替展示了哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜对火焰星云的观测。火焰星云是附近的恒星形成星云，年龄不到100万年。对比中，三个低质量天体被突出显示。在哈勃的观测中，这些低质量天体被该区域浓密的尘埃和气体所掩盖。然而，由于韦伯对微弱红外光的敏感性，这些天体在韦伯的观测中得以显现。图片来源：NASA、ESA、CSA、Alyssa Pagan（太空望远镜科学研究所）

火焰星云距离地球约1400光年，是一个年轻而活跃的恒星形成区域——年龄不到一百万年。在这个恒星孕育区内，天文学家发现了一些极其微小的天体，它们的质量不足以在其核心点燃氢聚变。这些天体被称为棕矮星。

棕矮星通常被称为“失败恒星”，随着时间的推移，它们会逐渐冷却、黯淡，变得比普通恒星暗淡得多，也更难探测到。正因为如此，即使它们距离太阳相对较近，大多数望远镜也难以观测到它们。然而，当棕矮星非常年轻时，它们仍然足够温暖和明亮，可以被观测到——尽管它们隐藏在像火焰星云那样厚厚的尘埃和气体云层中。

詹姆斯·韦伯太空望远镜在太空中的艺术构想。图片来源：NASA-GSFC，Adriana M. Gutierrez（CI实验室）

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜可以穿透稠密的尘埃，捕捉到这些新生棕矮星微弱的红外光。利用韦伯望远镜强大的能力，一个天文学家团队着手研究这些自由漂浮物体的体积究竟有多小。他们探测到了一些质量约为木星两到三倍的物体，而且该望远镜的灵敏度足以探测到质量只有木星一半的物体。

“该项目的目标是探索恒星和棕矮星形成过程中的根本低质量极限。借助韦伯望远镜，我们能够探测到最暗淡、质量最小的天体，”该研究的主要作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的马修·德弗里奥说道。

这张由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的火焰星云部分近红外图像突出显示了右侧插图中三个低质量天体。这些天体比原恒星温度低得多，需要韦伯望远镜高灵敏度的仪器才能探测到它们。这些天体的研究旨在探索火焰星云中棕矮星的最低质量极限。韦伯图像将波长为1.15微米和1.4微米（滤光片F115W和F140M）的光显示为蓝色，1.82微米（F182M）的光显示为绿色，3.6微米（F360M）的光显示为橙色，4.3微米（F430M）的光显示为红色。图片来源：美国宇航局、欧空局、加拿大空间局、太空望远镜科学研究所、迈克尔·迈耶（密歇根大学）

研究团队寻求的低质量极限是由一个叫做碎片化的过程决定的。在这个过程中，恒星和棕矮星诞生的大型分子云会分裂成越来越小的单元，或者说碎片。

碎裂高度依赖于多种因素，其中温度、热压和重力之间的平衡是最重要的因素。更具体地说，当碎片在重力作用下收缩时，其核心会升温。如果核心足够大，它就会开始聚变氢。聚变产生的向外压力抵消了重力，阻止了坍缩并稳定了物体（当时被称为恒星）。然而，如果碎片的核心不够致密且温度不足以燃烧氢，只要它们继续散发内部热量，就会继续收缩。

右图为火焰星云 (NGC 2024) 的两张图像，由韦伯太空望远镜的近红外相机 (NIRCam) 拍摄，并配有罗盘箭头、比例尺和色标以供参考。这些图像是哈勃太空望远镜拍摄的火焰星云内部的放大区域。北向和东向的罗盘箭头指示了图像在天空中的方向。请注意，天空中（从下方看）的北向和东向的关系相对于地面地图上（从上方看）的方向箭头是翻转的。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Michael Meyer（密歇根大学）、Matthew De Furio（德克萨斯大学奥斯汀分校）、Massimo Robberto（STScI）、Alyssa Pagan（STScI）

密歇根大学的迈克尔·迈耶说：“这些云层的冷却至关重要，因为如果内部能量足够，它就能抵抗引力。如果云层有效冷却，它们就会坍塌并分裂。”

当碎片变得足够不透明，能够重新吸收自身辐射时，碎裂就会停止，从而阻止冷却并防止进一步坍缩。理论认为这些碎片的下限在1到10个木星质量之间。这项研究显著缩小了这一范围，因为韦伯的普查统计了星云内不同质量的碎片。

“正如许多先前研究发现的那样，质量越低，在木星质量十倍以下的范围内，我们实际上能发现更多天体。在我们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜进行的研究中，我们对木星质量0.5倍以下的天体都敏感，而当质量低于木星十倍时，我们发现的天体越来越少，”德弗里奥解释说。“我们发现五个木星质量的天体比十个木星质量的天体少，而三个木星质量的天体比五个木星质量的天体少得多。我们实际上没有发现任何低于两个或三个木星质量的天体，如果它们存在，我们预计会看到它们，所以我们假设这可能就是极限本身。”

迈耶补充道：“韦伯太空望远镜首次能够探测到甚至超越这个极限。如果这个极限是真实存在的，那么我们的银河系中就不应该存在任何质量相当于木星的天体自由漂浮，除非它们最初是行星，然后被行星系统抛射出去。”

棕矮星虽然难以发现，但其与恒星和行星的相似性，为恒星形成和行星研究提供了丰富的信息。美国宇航局的哈勃太空望远镜几十年来一直在搜寻这些棕矮星。

尽管哈勃望远镜无法像韦伯望远镜那样观测到火焰星云中质量较低的棕矮星，但它对于确定进一步研究的候选对象至关重要。这项研究是韦伯望远镜如何接过哈勃望远镜数十年来从猎户座分子云复合体获得的数据，并开展深入研究的一个例子。

“这项工作非常困难，从地面观测质量小至十倍木星的棕矮星，尤其是在这样的区域。哈勃望远镜过去30年左右的观测数据让我们知道，这是一个非常有价值的恒星形成区域。我们需要韦伯望远镜来研究这个特殊的科学课题，”德弗里奥说。

“这是我们理解哈勃望远镜观测结果能力的一次巨大飞跃。韦伯望远镜真正开辟了一个全新的可能性领域，让我们能够更好地理解这些天体。”太空望远镜科学研究所的天文学家马西莫·罗伯托解释道。

该团队正在继续研究火焰星云，利用韦伯的光谱工具进一步描述其尘埃茧内的不同物体。“可能成为行星的物质和质量极低的棕矮星之间存在很大的重叠，”迈耶说道。“而我们未来五年的任务就是：弄清楚它们究竟是什么，以及原因。”

这些结果已被《天体物理学杂志快报》接受并发表。

编译自/ScitechDaily