新的恆星普查回答了這個問題：恆星和棕矮星形成時可以達到多小？火焰星雲是獵戶座分子雲複合體的一部分，是一個備受研究的區域，也是新恆星的誕生地。像美國太空總署的哈伯太空望遠鏡這樣的望遠鏡已經對其進行了多年的觀測，但隱藏在其緻密塵埃核心深處的最小恆星至今仍無法觸及——直到現在。

火焰星雲的這組拼貼圖片左側展示了美國宇航局哈伯太空望遠鏡拍攝的近紅外線圖像，右側兩幅插圖展示了美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的近紅外線圖像。哈伯影像中大部分的暗態緻密氣體和塵埃，以及周圍的白色雲層，在韋伯影像中都清晰可見，讓我們能夠看到一片更透明的雲層，雲層中穿梭著產生紅外線的天體，這些天體是年輕的恆星和棕矮星。天文學家利用韋伯望遠鏡對這片恆星形成區域內最低質量的天體進行了普查。圖片來源：美國太空總署、歐空局、加拿大太空局、太空望遠鏡研究所、麥可·邁耶（密西根大學）、馬修·德·弗里奧（德州大學奧斯汀分校）、馬西莫·羅伯托（太空望遠鏡研究所）、艾莉莎·佩根（太空望遠鏡研究所）

美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡利用其強大的紅外線能力，首次探測並統計了該區域最暗淡、最小的天體，幫助天文學家確定形成棕矮星所需的最小質量。

這段動畫交替展示了哈伯太空望遠鏡和詹姆斯韋伯太空望遠鏡對火焰星雲的觀測。火焰星雲是附近的恆星形成星雲，年齡不到100萬年。對比中，三個低品質天體被突出顯示。在哈伯的觀測中，這些低質量天體被該區域的濃密塵埃和氣體所掩蓋。然而，由於韋伯對微弱紅外光的敏感性，這些天體在韋伯的觀測中得以顯現。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Alyssa Pagan（太空望遠鏡科學研究所）

火焰星雲距離地球約1400光年，是一個年輕而活躍的恆星形成區域－年齡不到一百萬年。在這個恆星孕育區內，天文學家發現了一些極小的天體，它們的質量不足以在其核心點燃氫聚變。這些天體被稱為棕矮星。

棕矮星通常被稱為“失敗恆星”，隨著時間的推移，它們會逐漸冷卻、黯淡，變得比普通恆星暗淡得多，也更難探測到。正因為如此，即使它們距離太陽相對較近，大多數望遠鏡也難以觀測到它們。然而，當棕矮星非常年輕時，它們仍然足夠溫暖和明亮，可以被觀測到——儘管它們隱藏在像火焰星雲那樣厚厚的塵埃和氣體雲層中。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡在太空中的藝術構想。圖片來源：NASA-GSFC，Adriana M. Gutierrez（CI實驗室）

美國太空總署的詹姆斯韋伯太空望遠鏡可以穿透稠密的塵埃，捕捉到這些新生棕矮星微弱的紅外線光。利用韋伯望遠鏡強大的能力，天文學家團隊著手研究這些自由漂浮物體的體積究竟有多小。他們探測到了一些質量約為木星兩到三倍的物體，而且該望遠鏡的靈敏度足以探測到質量只有木星一半的物體。

「該計畫的目標是探索恆星和棕矮星形成過程中的根本低質量極限。借助韋伯望遠鏡，我們能夠探測到最暗淡、質量最小的天體，」該研究的主要作者、德克薩斯大學奧斯汀分校的馬修·德弗里奧說道。

這張由美國太空總署詹姆斯韋伯太空望遠鏡拍攝的火焰星雲部分近紅外線圖像突出顯示了右側插圖中三個低品質天體。這些天體比原恆星溫度低得多，需要韋伯望遠鏡高靈敏度的儀器才能探測到它們。這些天體的研究旨在探索火焰星雲中棕矮星的最低質量極限。韋伯影像將波長為1.15微米和1.4微米（濾光片F115W和F140M）的光顯示為藍色，1.82微米（F182M）的光顯示為綠色，3.6微米（F360M）的光顯示為橙色，4.3微米（F430M）的光顯示為紅色。圖片來源：美國太空總署、歐空局、加拿大太空局、太空望遠鏡科學研究所、麥可‧邁耶（密西根大學）

研究團隊尋求的低品質極限是由一個叫做碎片化的過程決定的。在這個過程中，恆星和棕矮星誕生的大型分子雲會分裂成越來越小的單元，或者說碎片。

碎裂高度依賴多種因素，其中溫度、熱壓和重力之間的平衡是最重要的因素。更具體地說，當碎片在重力作用下收縮時，其核心會升溫。如果核心夠大，它就會開始聚變氫。聚變產生的向外壓力抵消了重力，阻止了坍縮並穩定了物體（當時被稱為恆星）。然而，如果碎片的核心不夠緻密且溫度不足以燃燒氫，只要它們繼續散發內部熱量，就會繼續收縮。

右圖為火焰星雲(NGC 2024) 的兩張影像，由韋伯太空望遠鏡的近紅外線相機(NIRCam) 拍攝，並配有羅盤箭頭、比例尺和色標以供參考。這些影像是哈伯太空望遠鏡拍攝的火焰星雲內部的放大區域。北向和東向的羅盤箭頭指示了影像在天空中的方向。請注意，天空中（從下方看）的北向和東向的關係相對於地面地圖上（從上方看）的方向箭頭是翻轉的。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Michael Meyer（密西根大學）、Matthew De Furio（德州大學奧斯汀分校）、Massimo Robberto（STScI）、Alyssa Pagan（STScI）

密西根大學的邁克爾·邁耶說：“這些雲層的冷卻至關重要，因為如果內部能量足夠，它就能抵抗引力。如果雲層有效冷卻，它們就會坍塌並分裂。”

當碎片變得足夠不透明，能夠重新吸收自身輻射時，碎裂就會停止，從而阻止冷卻並防止進一步坍縮。理論認為這些碎片的下限在1到10個木星質量之間。這項研究顯著縮小了這個範圍，因為韋伯的普查統計了星雲內不同質量的碎片。

「正如許多先前研究發現的那樣，質量越低，在木星質量十倍以下的範圍內，我們實際上能發現更多天體。在我們利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行的研究中，我們對木星質量0.5倍以下的天體都敏感，而當質量低於木星十倍時，我們發現的天體越來越少，」德弗里奧解釋說。 「我們發現五個木星質量的天體比十個木星質量的天體少，而三個木星質量的天體比五個木星質量的天體少得多。我們實際上沒有發現任何低於兩個或三個木星質量的天體，如果它們存在，我們預計會看到它們，所以我們假設這可能是極限本身。”

邁耶補充說：“韋伯太空望遠鏡首次能夠探測到甚至超越這個極限。如果這個極限是真實存在的，那麼我們的銀河系中就不應該存在任何質量相當於木星的天體自由漂浮，除非它們最初是行星，然後被行星系統拋射出去。”

棕矮星雖然難以發現，但其與恆星和行星的相似性，為恆星形成和行星研究提供了豐富的資訊。美國太空總署的哈伯太空望遠鏡幾十年來一直在搜尋這些棕矮星。

儘管哈伯望遠鏡無法像韋伯望遠鏡那樣觀測到火焰星雲中質量較低的棕矮星，但它對於確定進一步研究的候選對象至關重要。這項研究是韋伯望遠鏡如何接過哈伯望遠鏡數十年來從獵戶座分子雲複合體獲得的數據，並進行深入研究的一個例子。

「這項工作非常困難，從地面觀測質量小至十倍木星的棕矮星，尤其是在這樣的區域。哈伯望遠鏡過去30年左右的觀測數據讓我們知道，這是一個非常有價值的恆星形成區域。我們需要韋伯望遠鏡來研究這個特殊的科學主題，」德弗里奧說。

「這是我們理解哈伯望遠鏡觀測結果能力的一次巨大飛躍。韋伯望遠鏡真正開闢了一個全新的可能性領域，讓我們能夠更好地理解這些天體。」太空望遠鏡科學研究所的天文學家馬西莫·羅伯托解釋道。

團隊正在繼續研究火焰星雲，利用韋伯的光譜工具進一步描述其塵埃繭內的不同物體。 「可能成為行星的物質和質量極低的棕矮星之間存在很大的重疊，」邁耶說。 “而我們未來五年的任務是：弄清楚它們究竟是什麼，以及原因。”

這些結果已被《天文物理學雜誌快報》接受並發表。

編譯自/ ScitechDaily