发布单位:台北市立天文科学教育馆

  天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)探测到一颗棕矮星,名为W1935,距离我们47光年,它发出甲烷红外线辐射,这可能是由于其高层大气中的能量所造成,而产生这种辐射的高层大气加热与极光有关。

艺术家对棕矮星W1935的想象图。图片来源:NASA / ESA / CSA / L. Hustak, STScI
图说:艺术家对棕矮星W1935的想象图。图片来源:NASA / ESA / CSA / L. Hustak, STScI

  地球上,极光是太阳吹向太空的高能粒子被地球磁场捕获后产生,它们沿着地球两极附近的磁场线进入大气层与气体分子碰撞,产生绚丽、舞动的光幕。木星和土星也有类似极光的过程,除了与太阳风的相互作用,也会从附近的活跃卫星如木卫一(Io)和土卫二(Enceladus)获得。天文学家表示对于像W1935这样孤立的棕矮星来说,缺乏恒星风来促进极光过程,并解释高层大气中甲烷排放所需的额外能量是一个谜。因此研究团队利用韦伯观测了12颗冷棕矮星样本,其中包括W1935(由参与Backyard Worlds Zooniverse计划的公民科学家Dan Caselden发现的天体)和W2220(使用NASA广域红外线巡天探测卫星发现的天体)。韦伯细致的细节发现W1935和W2220在成分上几乎相同,还具有相似的亮度、温度及水、氨、一氧化碳和二氧化碳的光谱特征。在韦伯灵敏独特的红外线波长下观察到明显的例外是W1935出现甲烷的发射,而W2220却没有观察到预期的吸收特征。研究人员表示我们预期会看到甲烷,因为甲烷遍布在这些棕矮星上,但却恰恰相反,甲烷并没有吸收光,而是在发光。这到底是怎么回事?为什么这个天体会释放出甲烷?

  天文学家使用电脑模型来推断发射背后的原因,模拟显示W2220在整个大气层中的能量分布符合预期,随着高度的增加而变冷。而W1935的结果却出乎意料之外,最佳的模型支持逆温,即大气随着海拔的增加而变暖。研究人员表示这种逆温现象确实令人费解,我们曾在附近有恒星的行星上看过这种现象,恒星可以加热平流层,但在一个没有明显外部热源的天体上看到这种现像是疯狂的。为了寻找线索,研究人员把目光投向了我们太阳系的行星,气态巨行星可以作为在47光年外W1935大气层中所看到情况的代表。科学家意识到逆温现像在木星和土星等行星上非常突出,目前仍努力了解其平流层加热的原因,但太阳系的主要理论涉及极光的外部加热和来自大气层深处的内部能量传输(前者是主要解释)。研究该团队称W1935是太阳系外第一个具有甲烷发射特征的极光候选者,也是太阳系外最冷的极光候选者,有效温度约为摄氏200度。

  在太阳系中,太阳风是极光过程的主要贡献者,木卫一和土卫二等活跃卫星分别在木星和土星等行星上发挥作用。W1935完全缺乏伴星,因此恒星风无法促成这种现象,至于一颗活跃的卫星是否会在W1935上的甲烷排放中发挥作用,目前还不得而知。研究人员表示透过W1935,我们现在有了一个太阳系现象的壮观延伸,但却没有任何恒星辐射来帮助解释。有了韦伯我们就可以真正揭开其化学反应的神秘面纱,并了解太阳系之外的极光过程可能有多么相似或不同之处。相关研究成果发表于American Astronomical Society第243届会议上。(编译/台北天文馆赵瑞青)

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  棕矮星是一种质量介于行星和恒星之间的天体,一般认为质量在木星13到80倍之间,但真正的质量界线仍然存在争议,特别是因为它们的构造与低质量恒星的构造非常相似。由瑞士科学家领导的国际团队,研究5个质量接近恒星和棕矮星边界天体的特征,帮助科学家了解这些神秘天体的性质,成果发表在Astronomy & Astrophysics学刊。

  天文学家认为恒星质量够大,能以氢融合为氦方式,释放出大量的能量。但棕矮星的质量却不足达到此反应,而是以氘融合为氦方式产生能量,由于效率较低所以棕矮星发出的光比恒星弱得多,所以被称为“失败的恒星”。论文第一作者Nolan Grieves指出:我们仍然不知道棕矮星的质量极限在哪里,以及棕矮星的化学成分、形成方式与初始半径,因此需要较多研究资料。但它们相当罕见,到目前为止,我们只研究约30颗棕矮星,相比已详细研究数百颗行星,极为稀少。

  团队研究对象为凌日系外行星巡天卫星(TESS)所发现的5颗伴星——TOI-148b、TOI-587b、TOI-681b、TOI-746b 和 TOI-1213b,它们被称为“伴星”,是因为各自围绕其母恒星运行。天体的周期为5到27天,半径是木星的0.81到1.66倍,质量是木星的77到98倍,这使它们处于棕矮星和恒星的边界。研究人员表示:这5个天体的信息揭示棕矮星的性质,让我们能了解它们是如何形成与如此稀有。

  科学家认为这些天体是棕矮星,根据是它们的大小和年龄之间的关系,由于棕矮星应该会燃烧氘后逐渐冷却,所以体积会随年龄而缩小。其中最老的TOI 148b和746b,具有较小的半径,而两个较年轻的星体具有较大的半径。天文学家认为这些天体是如此接近棕矮星的质量边界,值得进一步观测以了解它们。(编译/台北天文馆研究员李瑾)

棕矮星
棕矮星

资料来源:Science Daily

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  棕矮星不是恒星也不算是行星;它们大小与木星差不多,但质量通常要大上几十倍。尽管如此,它们质量却比最小的恒星还小,因此核心没有足够的压力与温度,可以如恒星那样产生核融合。它们刚形成时很热,但逐渐变冷且微弱发光,这使它们很难被发现,而且也没有望远镜可以清楚地看到其大气。最近,月球与行星实验室的研究人员在The Astrophysical Journal期刊发表,以新技术研究棕矮星的大气。结果,团队发现棕矮星与木星极为相似:棕矮星的赤道有如木星的平行高速风。这些风将大气混合,重新分配从内部所散发出来的热,也像木星一样,旋涡主导其极地区域。

  团队是使用NASA的凌日系外行星巡天卫星(TESS)研究离地球最近的两个棕矮星,它们是距地球仅6.5光年的Luhman 16 A和B。虽然两者的大小与木星大致相同,但其质量与密度更大。Luhman 16 A质量是木星的34倍,而Luhman 16 B约是28倍。

  团队表示:TESS虽然是为寻找系外行星而设计,但也提供了丰富的数据。通过团队开发的演算法,能够获得非常精确的亮度测量值。因为棕矮星会旋转,当明亮的大气区域面对我们,棕矮星会变亮,而当此位置旋转出去时,则变暗。由于太空望远镜能提供极其精确的观测值,因此该团队能依观测数据,建立棕矮星的大气环流图。研究结果表明,太阳系行星的大气环流与棕矮星有很多相似处。小组也希望以此技术探索棕矮星和系外行星的大气,如云、风暴系统和环流带等。(编译/台北天文馆助理研究员李瑾)

棕矮星

资料来源:Science daily

发布单位:台北市立天文科学教育馆

棕矮星,褐矮星

  天文学家使用昴星团望远镜与凯克天文台直接观测到棕矮星的影像,该星围绕一个离地球仅86光年,年龄约15亿年如太阳的恒星运行,距离母恒星为20天文单位。是少数拍摄到环绕如太阳的恒星,距离尺度与太阳系相近的棕矮星或系外行星,相关研究发表于The Astrophysical Journal Letters期刊上。

  研究团队表示这颗天体首先在2018年10月昴星团望远镜系外行星成像系统(SCExAO / CHARIS)影像中检测出,后续也使用凯克天文台自适应光学(AO)技术观测其红外影像,确认该物体是恒星HD 33632 Aa的伴星,而不是背景恒星。研究人员经观测HD 33632 Ab位置变化而得到直接质量,与其他直接成像的行星或棕矮星,是基于年龄与亮度而以模型推断其质量不同。估算HD 33632 Ab的质量约为木星的46倍。

  棕矮星是比恒星小,但比木星重的天体。它们被称为“失败的恒星”,是因为质量不足以点燃其核心的核融合而发光。行星与棕矮星的质量没有明显分界,但HD 33632 Ab的质量属于棕矮星。团队还观测到HD 33632 Ab的大气层可能含有水和一氧化碳。

  团队表示,先前直接成像观测大多是“盲目”搜索,检出率非常低。他们则根据盖亚任务(Gaia)数据中的速度变化筛选观测目标,由于恒星的速度变化可能是伴星正在拖曳恒星,因此检测到HD 33632 Ab代表这种方法可行。天文学家希望通过观测,更加了解行星和棕矮星大气的年龄和质量,温度与化学性质等各方性质。(编译/台北天文馆助理研究员李瑾)

Brown dwarf
(左)HD 33632 Ab的光谱,该光谱是大气中的水和一氧化碳分子吸收形成的。(右)对HD 33632 Ab的轨道进行建立模型。

资料来源:phys.org

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  业余天文学家Paul Benni和麻省理工学院研究员Artem Burdanov在本周的美国天文学会线上会议上报告了他们发现三个新天体,包含一个热木星、一个棕矮星和一个暗淡的双星系统。更令人讶异的是,他们并非借助大型天文台,而是在Benni的家中院子发现的。

  这项工作始于几年前,Burdanov与来自俄罗斯乌拉尔联邦大学的同事进行了一项实验调查,最初称为Kourovka行星搜索(KPS)。他们透过寻找系外行星穿越恒星前方时造成的亮度下降来得知行星的存在,就像NASA的开普勒和TESS太空望远镜一样,不过Burdanov将目标锁定在其他计划未观测的天区,也就是我们的银河系盘面。

  自2013年以来,Benni一直在他波士顿附近的家中协助KPS团队进行后续观察。而当Burdanov到比利时列日大学时,Benni继续进行这项计划,现在这项计划改称为银河系盘面系外行星调查计划(Galactic Plane eXoplanet,GPX),GPX观测系统是由口径279mm的Celestron RASA广域测量望远镜和FLI ML16200相机组成,并使用Burdanov开发的增强型影像处理软件。

GPX设备

(图说)两人的观测工作就在Benni的院子中进行。

  为了在挤满星星的银河盘面进行搜寻,GPX捨弃广视野而换取高解析度。GPX系统的解析度约为每像素2角秒,而开普勒和TESS太空望远镜的解析度则分别是每像素4角秒和20角秒。Benni解释说:「其他观测计划往往会避开银河盘面,因为恒星太过拥挤使得他们在影像上往往融合在一起。」Benni继续补充:「这种权衡也让我们可以将注意力集中在11至15等的恒星上。试图在影像中再捕捉一些其他人错过的东西。」

  他们的首次发现是在2015年,当时二人仍在测试原型Kourovka设备。研究小组将望远镜对准大熊座附近一个随机选择的小区域,累积了115个小时的观测数据后,发现了正在遮掩母恒星星光的热木星KPS-1b。KPS-1b在质量和半径上与木星相似,大约每1.7天环绕他的母恒星(亮度13等)运行。有了前面的成功经验,他们再利用改良的GPX装置,并在2016年发现第二个掩星事件。GPX-1b是一个棕矮星,质量是木星的20倍,环绕着一颗亮度12等、质量略大于太阳的恒星。值得注意的是TESS曾拍摄过同一天区,然而因为GPX-1与一颗亮度9等的恒星相距不到1角分,这让TESS错过了这颗棕矮星(如下图,右边是TESS的影像)。

GPX与TESS的比较

  他们目前的最新发现来自2018年收集的观测数据:GPX-TF16E-48是一对总亮度15等的双星,包含一颗白矮星和一颗K型主序星,互绕周期约为7.1小时。由于从地球上看他们的轨道面与视线方向大致平行,恰好是一对食双星,但由于亮度减弱时间仅10分钟,因此很难发现。后续观察发现,这颗白矮星可能正从伴星中吸出气体,并可能在约900万年内变成一颗新星。

  GPX展现了专业天文学家和业余天文学家使用市售的观测设备合作的潜力,甚至能发现世界一流的仪器也漏掉的天体。(编译/台北天文馆王彦翔)

资料来源:Sky & Telescope

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  最近天文学家发现了一组有趣的食星系统,它们是黯淡的棕矮星2MASSW J1510478-281817,也称为2M1510,位于天秤座中119光年外的距离,其中两个棕矮星以21天为周期互相绕行,2M1510Aa为40个木星质量,其伴星2M1510Ab为39.3个木星质量以下。两者都是M型棕矮星,相距仅0.063 AU。

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  研究人员还发现第三个天体2MASS J15104761-2818234(2M1510B),也是食星系统的一部分,2M1510B在250 AU外绕行,这是太阳到冥王星平均距离的六倍以上。

  加州大学圣地亚哥分校的Adam Burgasser表示原计划在寻找质量非常低的恒星和棕矮星附近的系外行星,这一对看起来有凌日特征的棕矮星似乎是一个不错的目标。「我们惊讶地发现它其实是三个棕矮星!」Adam Burgasser说。

  这一发现发表在最近的《自然:天文学》杂志上。研究人员使用了位于智利四台口径8.2米组成的「甚大望远镜(VLT)」,与夏威夷的凯克天文台近红外光谱仪进行了验证,凌日事件持续了约90分钟。

  棕矮星的质量不足以像红矮星那样通过质子-质子链维持完整的核聚变,它们不属于定义上的恒星,但它们仍然可以缓慢地进行氘核聚变。尽管棕矮星晦暗难以发现,但它们可能是宇宙中最常见的物体之一。这次发现使研究人员可以帮助区分大型系外行星,并将棕矮星的演化模型放入测试中。(编译/台北天文馆虞景翔)

资料来源:Universe Today

发布单位:台北市立天文科学教育馆

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  天文学家Kevin Schlaufman 根据观测统计与理论,提出行星质量上限为4-10倍木星质量,超过此限即属棕矮星。 此说对这两种本质截然不同的星体做出了新的界定。

  类木行星是经由「核积聚」过程,由冰与岩石逐渐聚集而成;棕矮星则是从气体云直接塌缩形成。 在此假说中,重元素丰度越高的环境越有利于形成类木行星。 Schlaufman 从146组行星系统中统计发现,木星质量4-10倍以下的行星多存在于重元素丰度高的系统,而木星质量10倍以上者则平均生成于所有系统中。 他进一步研究发现,角动量移转与低表面密度限制了类木行星的增长,所以行星盘中最高只能孕育4-10倍木星质量的行星,而这些行星在一万年内即可形成。

资料来源:http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/new-definition-planet/,台北天文馆吴典谚编译