韦布望远镜首次拍到7.5光年外“冰冷失败恒星” 出现可变水云

在距离地球约7.5光年的宇宙深处，有一个比地球表面还要冷的天体。它的天空中飘着水云，而且这些云会随着天体自转时浓时淡，就像地球上的天气一样变幻莫测。

美国亚利桑那大学的天文学家借助詹姆斯·韦布空间望远镜，首次直接确认了太阳系外天体上水云的动态变化。

相关论文发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。

研究由亚利桑那大学斯图尔德天文台的布列塔尼·迈尔斯（Brittany Miles）领衔，合作者包括亚利桑那大学月球与行星实验室主任马克·马利（Mark Marley）。

研究对象，是目前已知最冷的褐矮星WISE 0855。

这颗天体以美国宽视场红外巡天探测器的名字命名。它在可见光下几乎完全黑暗，只能在红外波段被“看见”。

介于恒星与行星之间的“失败恒星”

褐矮星是一类特殊的天体。它们的质量比行星大，却又不足以像恒星那样在核心点燃稳定的氢核聚变，因此常被称为“失败的恒星”。

WISE 0855于2014年被发现，是距离太阳最近的天体系统之一。

在离太阳最近的天体系统中，它排名第四，仅次于半人马座阿尔法三合星系统、巴纳德星和另一对褐矮星组成的双星系统。

它的温度约为265开尔文，也就是零下8摄氏度左右，比地球表面的平均温度还要低。

对于一个质量远超木星的天体来说，这样的温度简直是冰天雪地。它散发的那点热量，主要来自形成之初残留的余温。

它的质量大约是木星的两倍，个头却与木星相差无几。打个比方，它就像一个被“压实”了的木星，在黑暗的星际空间中独自游荡。

正因为足够冷，水才能在它的大气中凝结成云。这在其他温度更高的褐矮星上是难以想象的。

此前，天文学家已经通过间接证据推测，WISE 0855的大气中可能存在水冰云。但云层是否在变化、如何变化，一直缺乏直接的观测证据。

韦布望远镜的升空改变了这一局面。它拥有前所未有的红外观测灵敏度，正是研究冰冷暗淡天体的利器。

韦布望远镜的11小时“直播”

为了捕捉云层的变化，研究团队用韦布望远镜的中分辨率光谱仪对WISE 0855进行了长达11个小时的观测，每隔15分钟就拍摄一条光谱。

这就像为这颗遥远的天体拍了一部“延时纪录片”，记录下它在自转过程中大气的点滴变化。

与以往只能测量总体亮度的测光观测不同，光谱能把不同波长的光分开，让科学家分辨出云层、化学成分和温度各自扮演的角色。

如果说测光只能告诉你一个房间整体有多亮，那么光谱就能告诉你房间里每一盏灯的颜色和亮度。

迈尔斯表示，过去的测光观测把云、化学和温度的影响混在一起，而这一次，团队终于能把它们分离开来。

马利用“纱门”作比喻：来自天体的光要穿过大气才能到达望远镜，大气就像一扇纱门，会对光进行过滤。因此，科学家不仅要研究光，还要弄清楚这扇“纱门”本身的样子。

云在变，化学也在“翻涌”

观测结果显示，WISE 0855高层大气中的水云会随着天体自转而增厚、变薄。这是人类首次直接确认，太阳系外天体上的水云会随时间发生变化。

不仅如此，研究人员还发现，一氧化碳和磷化氢等来自大气深处的气体，其含量也呈现出波浪式的起伏。

科学家认为，这是对流把物质从更深、更热的大气层带到上层造成的，这一过程被称为“非平衡化学”。

这就像一锅正在熬煮的浓汤，底部的食材不断被翻滚到表面，让汤面的成分时刻都在变化。

在地球上，类似的对流过程塑造了雷暴和积雨云。在木星上，对流则造就了那些壮观的条纹和风暴。

此外，天体的温度也随自转而变化。不同的区域云量不同、温度不同，随着天体转动，它们轮番出现在望远镜的视野中。

研究表明，至少有两个过程在同时发生：随自转变化的云层，以及对流带来的化学混合。

褐矮星与行星，没有那么泾渭分明

这项发现的意义，远不止于一颗褐矮星本身。

研究人员认为，对流、成云和化学反应在木星、这颗褐矮星，乃至韦布望远镜正在研究的气态巨行星上，可能以相似的方式运作。

迈尔斯指出，褐矮星表现出类似行星的特征，它们与行星之间更像是一个连续的谱系，而非一道明确的分界线，同样的基本物理规律适用于这些世界。

这为研究系外行星大气提供了一个绝佳的“实验室”。系外行星往往紧挨着明亮的恒星，观测难度极大，而独自游荡的褐矮星则没有这样的干扰。

研究褐矮星的大气，就像先在“训练场”上练好本领，再去挑战更难观测的系外行星。这对未来寻找宜居行星具有重要意义。

当然，这项研究只针对单一天体，结论能否推广到其他褐矮星和系外行星，还需要更多观测。

研究团队计划开展进一步的基线观测，以确定WISE 0855的自转周期和三维大气结构。

从太阳系内的木星，到7.5光年外的冰冷褐矮星，宇宙中的“天气”或许遵循着相似的规律。

当我们抬头仰望星空时，那些遥远的世界里，或许也正上演着云卷云舒。