詹姆斯·韦伯太空望远镜发现破纪录的“失败之星”

一支团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 发现了有史以来最小的自由漂浮棕矮星和另外两颗“失败恒星”。它们位于距离地球仅 1,000 光年的星团中，并且没有与母星相关联。该发现于 12 月 13 日发表在《天文学杂志》上，可能有助于天文学家更好地确定恒星和行星之间的界限。

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失败的明星

棕矮星是一种质量比行星大但不如恒星的天体。它们的形成方式与恒星相同，密度足够大，在自身引力的作用下坍缩，但它们的密度和温度从未达到开始融合成为恒星所需的氢的程度。这就是它们获得“失败恒星”绰号的原因。

JWST 发现的棕矮星质量约为木星的八倍。与此同时，这些恒星中最小的恒星质量约为木星的三倍，这对目前关于此类天体形成方式的理论提出了挑战。天文学家正在使用 JWST 试图确定能够以类似恒星的方式形成的最小天体是什么。

“在每一本天文学教科书中，你都会发现一个基本问题：最小的恒星是什么？这就是我们试图回答的问题，”这项研究的共同作者、宾夕法尼亚州立大学天文学家凯文·卢曼在一份声明中说道。

搜寻天空

卢曼和他的同事卡塔琳娜·阿尔维斯·德·奥利维拉从星团 IC 348 开始搜索。这个星团位于英仙座恒星形成区，距离我们只有大约 1,000 光年。星团 IC 348 相对年轻，只有大约 500 万年的历史。由于它的年龄，任何存在的棕矮星在红外光下仍然会相对明亮，并因其形成时的热量而发光。

他们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外相机 (NIRCam) 对星团中心进行成像，根据亮度和颜色识别出任何棕矮星候选者。然后，他们利用望远镜近红外光谱仪 (NIRSpec) 上的微快门阵列来观察最有希望的目标。詹姆斯·韦伯太空望远镜对红外光的灵敏度使该团队能够探测到比其他地面望远镜更暗的物体。

他们将星团缩小到三个可能的目标。所有恒星的重量均为木星质量的三到八倍，表面温度在 1,500 至 2,800 华氏度之间。根据该团队的计算机模型，最小的目标只有木星的三到四倍大，可以为恒星形成过程提供线索。

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“根据目前的模型，在恒星周围的盘状结构中形成巨行星相当容易，”研究报告合著者、欧洲航天局 (ESA) 天文学家 Catarina Alves de Oliveira 在一份声明中表示。“但在这个星团中，这个物体不太可能形成在盘状结构中，而是像恒星一样形成，而且三颗木星的质量比我们的太阳小 300 倍。所以我们不得不问，在如此小的质量下，恒星形成过程是如何进行的？”

奇怪的分子

微小的棕矮星也能帮助天文学家更好地了解系外行星，因为最小的棕矮星与已知的最大系外行星重叠。虽然人们通常认为它们具有一些相似的特性，但自由漂浮的棕矮星比巨型系外行星更容易研究。其主恒星的强光通常会遮住巨型系外行星，使它们更难被观测到。

这项研究中的两颗棕矮星也存在一种不明碳氢化合物的证据，这种分子由氢原子和碳原子组成。美国宇航局的卡西尼号任务在土星及其卫星土卫六的大气层以及恒星之间的气体中探测到了同样的红外特征。

“这是我们第一次在太阳系外物体的大气中发现这种分子，”阿尔维斯·德奥利维拉说。“棕矮星大气模型无法预测它的存在。我们正在观察比以往更年轻、质量更低的物体，我们看到了一些新的、意想不到的东西。”

恒星或行星身份危机

问题仍然是，棕矮星是恒星还是被行星系统弹出的流浪行星。该团队认为，这项研究中的棕矮星很可能是棕矮星，而不是被弹出的行星。

虽然不能完全排除流浪行星理论，但可能性不大。IC 348 星团中的大多数恒星质量都很低，研究小组认为它们不太可能产生质量巨大的行星。该星团在其 500 万年的存在期间可能也没有足够的时间让气态巨行星形成并被从其行星系统中弹出。

发现更多类似棕矮星的天体有助于明确它们是恒星还是行星。一些理论认为，流浪行星更有可能出现在星团的边缘。扩大搜索范围或许能揭示它们是否存在于 IC 348 内。未来的研究还可能需要更长的勘测时间，以便发现更暗、更小的天体。