韋伯望遠鏡揭開火焰星雲中褐矮星的神秘面紗

天文學家利用NASA/ESA/CSA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，深入探索了位於獵戶座火焰星雲中的褐矮星質量下限，這片星雲是恆星形成的熱點區域。

火焰星雲的影像拼貼圖中，左側是哈伯望遠鏡拍攝的近紅外光檢視，右側的兩個小圖則是韋伯望遠鏡捕捉的近紅外檢視。圖片來源：NASA / ESA / CSA / M. Meyer, 密西根大學 / A. Pagan, STScI。

火焰星雲位於獵戶座，距離地球約1,400光年。這個發射星雲也被稱為NGC 2024和Sh2-277，寬度約為12光年，年齡不到一百萬年。它是由德裔英國天文學家威廉·赫歇爾於1786年1月1日發現的，並且是獵戶座分子雲複合體的一部分，該複合體還包括著名的馬頭星雲和獵戶座大星雲。

在這項新研究中，天文學家利用韋伯望遠鏡探索了火焰星雲中褐矮星的質量下限。他們發現了質量約為木星2到3倍的自由漂浮天體，並且對質量低至木星0.5倍的天體也具備探測能力。

德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家馬修·德福裡奧博士表示：「這項研究的目標是探索恆星和褐矮星形成過程中的基本低質量下限。韋伯望遠鏡讓我們能夠探測到最微弱、質量最低的天體。」

研究團隊所尋找的低質量下限是由一種稱為「碎裂」的過程所決定的。在這個過程中，大型分子雲（恆星和褐矮星的誕生地）會分裂成越來越小的單位或碎片。碎裂過程高度依賴於溫度、熱壓力和重力之間的平衡等多種因素。具體來說，當碎片在重力作用下收縮時，其核心會變熱。如果核心質量足夠大，它將開始進行氫融合，產生的向外壓力會抵消重力，阻止進一步塌縮並穩定天體。然而，核心不夠緊密和熱度不足以燃燒氫的碎片會繼續收縮，直到它們輻射掉內部熱量。

密西根大學的天文學家邁克爾·邁耶博士解釋道：「這些雲的冷卻過程非常重要，因為如果內部能量足夠多，它會對抗重力。如果雲層冷卻效率高，它們就會塌縮並分裂。」當碎片變得足夠不透明以重新吸收自身輻射時，碎裂過程就會停止，從而阻止進一步冷卻和塌縮。

理論上，這些碎片的質量下限介於木星質量的1到10倍之間。這項研究大幅縮小了這一範圍，因為韋伯望遠鏡對星雲中不同質量的碎片進行了普查。德福裡奧博士指出：「正如許多先前研究發現的那樣，當你探測到更低質量的天體時，實際上會發現更多質量約為木星10倍的天體。在我們使用韋伯望遠鏡的研究中，我們對質量低至木星0.5倍的天體也具備探測能力，並且發現當質量低於木星10倍時，天體數量顯著減少。我們發現質量為木星5倍的天體比質量為木星10倍的天體少，而質量為木星3倍的天體又比質量為木星5倍的天體少得多。我們幾乎沒有發現任何質量低於木星2到3倍的天體，如果它們存在，我們應該會看到它們，因此我們推測這可能就是質量下限本身。」

邁耶博士補充道：「韋伯望遠鏡首次能夠探測到並超越這一極限。如果這個極限是真實的，那麼在我們的銀河系中，應該不會有任何質量為木星1倍的自由漂浮天體，除非它們是作為行星形成後被丟擲行星系統的。」

這項研究的成果已發表在《天體物理學期刊通訊》上。

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Matthew De Furio et al. 2025. Identification of a Turnover in the Initial Mass Function of a Young Stellar Cluster Down to 0.5 MJ. ApJL 981, L34; doi: 10.3847/2041-8213/adb96a