
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡近期在距離地球約 1,400 光年的火焰星雲(Flame Nebula)成功偵測到自由漂浮的低質量天體,即棕矮星(brown dwarf),也稱為「形成失敗的恆星」。研究顯示,最低質量極限約兩倍木星質量。若結果成立,意味銀河系不應有單獨形成且質量低於兩倍木星質量的天體,除非原為行星,後來拋射出母恆星系統。這項研究對理解恆星與行星的形成機制有重要意義。論文發表於《ApJL》期刊。
恆星與棕矮星皆起源於分子雲。當分子雲塌縮並碎裂為較小的碎塊時,這些碎塊可能進一步演化為個別星體。然而,最後只有核心收縮到夠緻密且溫度夠高的碎塊,才能點燃氫融合反應,成為真正的恆星。無法達到這一門檻的碎塊則持續塌縮,形成棕矮星,因此棕矮星被稱為「形成失敗的恆星」。由於棕矮星缺乏穩定的能量來源,會隨時間逐漸冷卻並變得極為昏暗,使得觀測變得困難。然而,在形成初期,它們仍具有較高的溫度與亮度,能透過紅外線觀測。韋伯望遠鏡憑藉其在紅外線卓越的靈敏度,突破過去探測極限,使天文學家得以首次深入統計火焰星雲內的棕矮星分布,並偵測到極暗弱、質量最低的天體。
▲ 近紅外線影像來自韋伯太空望遠鏡,顯示火焰星雲的一部分,右側內框標示出三個極低質量天體,極有可能為棕矮星。這些天體的溫度遠低於原恆星,需要韋伯望遠鏡的高靈敏度的紅外線觀測才能偵測到。(Source:STScI)
理論上,分子雲的碎裂過程決定了棕矮星的質量下限,可能介於一至十倍木星質量。最新觀測發現,當質量低於十倍木星時,天體數量明顯減少,三倍木星質量的天體少於五倍木星,而兩倍木星以下的天體則未被偵測到。韋伯的探測極限可達木星質量一半,這發現暗示棕矮星與行星的形成機制或許有更明確的分界,即兩倍木星質量。因此,銀河系內若存在自由飄浮的一倍木星質量天體,它們極可能原為行星,後來被行星系統拋射出去,而非獨立形成。
團隊將持續利用韋伯望遠鏡的光譜儀,對火焰星雲內不同天體的性質進行更詳細的分析。目前,質量極低的棕矮星與巨行星的質量範圍仍有重疊,未來的工作重點在於釐清哪些屬於行星,哪些是極低質量的棕矮星,並進一步理解它們的形成機制。