在《皇家天文學(xué)會月刊》（MNRAS）剛發(fā)表的一項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)中，天文學(xué)家在82光年外的唧筒座天區(qū)（翼宿東甌三附近）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極其罕見的兩級四星系統(tǒng)：一對超冷褐矮星與一對年輕紅矮星相互環(huán)繞。

藝術(shù)概念圖展示了UPMJ1040?3551四星系統(tǒng)，背景為Gaia太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的銀河系。在左側(cè)，UPMJ1040?3551Aa和Ab呈現(xiàn)為一個(gè)遙遠(yuǎn)的橙色亮點(diǎn)，插圖中放大顯示了這兩顆相互環(huán)繞的M型恒星。在右側(cè)前景中，則是一對以幾十年的周期相互環(huán)繞的超冷褐矮星UPMJ1040?3551Ba和Bb。Aab與Bab圍繞一個(gè)質(zhì)心以至少10萬年的周期相互環(huán)繞。來源/鐘嘉欣、張?jiān)A

一個(gè)獨(dú)特的恒星系統(tǒng)

這個(gè)名為UPMJ1040?3551AabBab的系統(tǒng)是由南京大學(xué)副教授張?jiān)A領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的。該團(tuán)隊(duì)從歐洲太空局（ESA）的Gaia天體測量衛(wèi)星和美國航空航天局（NASA）的寬視場紅外巡天探測器（WISE）觀測的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)成員具有相同的角速度，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的光譜觀測和分析，從而識別出這一四星系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的Aab指的是較亮的恒星對Aa和Ab，而Bab指的是較暗的亞恒星對Ba和Bb。

“使這一發(fā)現(xiàn)特別令人興奮的是系統(tǒng)的層級性，這保證了多星系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定的運(yùn)行，”張教授解釋道?！斑@兩對天體各自以幾十年的周期相互環(huán)繞，這兩對天體也繞著一個(gè)共同的質(zhì)心公轉(zhuǎn)，周期超過10萬年。”

這兩對天體之間的距離達(dá)到了1656個(gè)天文單位（au），1au等于日地距離（即1.5億千米）。亮星對UPMJ1040-3551Aab由兩顆質(zhì)量相近的紅矮星組成。其目視星等為14.6，在可見光波段下觀察時(shí)呈現(xiàn)橙色且亮度大約比北極星暗10萬倍。暗星對UPMJ1040-3551Bab由兩顆溫度低得多的褐矮星組成，幾乎不發(fā)出可見光，Bab在近紅外波段的亮度大約比Aab暗1000倍。

UPM J1040?3551 Aab最初因?yàn)槠湓贕aia多次觀測中呈現(xiàn)光心的擺動而被懷疑是一對密近雙星，并通過其異常亮度得到證實(shí)——比同距離同溫度的單恒星亮了約0.7星等，因?yàn)檫@對幾乎等質(zhì)量的雙星產(chǎn)生了雙倍的合并光度。同樣，UPMJ1040?3551 Bab 被確認(rèn)為是一對密近雙褐矮星，因?yàn)槠浣^對星等比同光譜型的普通單褐矮星明顯更亮。近紅外光譜擬合分析也強(qiáng)有力地支持了這一結(jié)論，雙星模板比單星模板擬合的顯著更好。

神秘的超冷天體

巴西國家天體物理實(shí)驗(yàn)室的FelipeNavarete博士進(jìn)行了關(guān)鍵的光譜觀測，這使得團(tuán)隊(duì)可以詳細(xì)研究刻畫該系統(tǒng)的成員。利用美國國家光學(xué)紅外天文研究實(shí)驗(yàn)室（NOIRLab）位于智利的南方天體物理研究望遠(yuǎn)鏡（SOAR）上的Goodman光譜儀，Navarete博士獲得了亮星對的光學(xué)光譜，同時(shí)還利用SOAR的TripleSpec光譜器觀測了暗星對的近紅外光譜。Navarete博士指出：“由于褐矮星的暗淡，這些觀測具有挑戰(zhàn)性。但SOAR的強(qiáng)大觀測能力使我們能夠獲取了解這些天體性質(zhì)所需的關(guān)鍵光譜數(shù)據(jù)?！?/p>

他們的分析表明，亮星對的兩顆恒星均為M型紅矮星，溫度約為3,200開爾文（約2900°C），質(zhì)量為太陽質(zhì)量的17%。而暗星對包含更加奇特的天體：兩顆溫度分別為820開爾文（550°C）和690開爾文（420°C）的褐矮星。褐矮星是體積小、密度高的低質(zhì)量天體，該系統(tǒng)中的褐矮星大小與木星相似，但質(zhì)量估計(jì)是木星的10到30倍。事實(shí)上，在這個(gè)范圍的低質(zhì)量端，這些天體可以被視為“行星質(zhì)量”天體。

“這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)由一對T型褐矮星圍繞一對恒星運(yùn)行的四星系統(tǒng)，”該研究論文的合著者、西班牙天體生物學(xué)中心的Maria-CruzGálvez-Ortiz博士指出?！斑@一發(fā)現(xiàn)為研究這些神秘天體提供了一個(gè)獨(dú)特的宇宙實(shí)驗(yàn)室。”

解決年齡-質(zhì)量簡并問題

褐矮星的質(zhì)量介于恒星和行星之間——質(zhì)量過大而不能被視為行星，但又不足以像恒星那樣維持氫聚變。與恒星不同，褐矮星形成后就開始持續(xù)的冷卻，這會改變其溫度、光度和光譜特征等可觀測的性質(zhì)。這種持續(xù)的變化過程給褐矮星研究帶來了一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)，即“年齡-質(zhì)量簡并問題”。一顆具有特定的溫度的孤立的褐矮星，它既可能是更年輕、質(zhì)量更小的天體，也可能是更古老、質(zhì)量更大的天體——如果沒有額外的信息，天文學(xué)家無法區(qū)分這兩種可能性。

“擁有寬距恒星伴星的褐矮星，其年齡可以通過其伴星獨(dú)立限定，作為年齡基準(zhǔn)，在打破年齡-質(zhì)量簡并方面具有寶貴的價(jià)值，”該研究論文的合著者、英國赫特福德郡大學(xué)的HughJones教授解釋道?！癠PMJ1040?3551尤其寶貴，因?yàn)閬碜粤列菍Φ腍-alpha發(fā)射線表明該系統(tǒng)相對年輕，年齡在3億到20億年之間。”

未來研究機(jī)遇

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來可以通過高分辨率成像技術(shù)分辨這對褐矮星(UPMJ1040-3551Bab)，從而精確測量其運(yùn)動軌道和動力學(xué)質(zhì)量?！霸撓到y(tǒng)為褐矮星科學(xué)研究帶來了雙重益處，”該研究論文的合著者、美國加州大學(xué)圣迭戈分校的AdamBurgasser教授說道?！叭绻覀兡軌蚍直婧职请p星并追蹤其軌道，它既可以作為校準(zhǔn)低溫大氣模型的年齡基準(zhǔn)，又可以作為檢驗(yàn)演化模型的質(zhì)量基準(zhǔn)?！?/p>

UPMJ1040-3551系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)代表著我們對這些難以捉摸的天體的理解以及對太陽鄰近恒星系統(tǒng)的多樣化形成通道的理解有了重大進(jìn)展。