新的恒星普查回答了這個問題：恒星和棕矮星形成時可以達到多小？火焰星云是獵戶座分子云復合體的一部分，是一個備受研究的區域，也是新恒星的誕生地。像美國宇航局的哈勃太空望遠鏡這樣的望遠鏡已經對其進行了多年的觀測，但隱藏在其致密塵埃核心深處的最小恒星至今仍無法觸及——直到現在。

火焰星云的這組拼貼圖片左側展示了美國宇航局哈勃太空望遠鏡拍攝的近紅外圖像，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圖像。哈勃圖像中的大部分暗態致密氣體和塵埃，以及周圍的白色云層，在韋伯圖像中都清晰可見，讓我們能夠看到一片更加透明的云層，云層中穿梭著產生紅外線的天體，這些天體是年輕的恒星和棕矮星。天文學家利用韋伯望遠鏡對這片恒星形成區域內的最低質量天體進行了普查。圖片來源：美國宇航局、歐空局、加拿大空間局、空間望遠鏡研究所、邁克爾·邁耶（密歇根大學）、馬修·德·弗里奧（德克薩斯大學奧斯汀分校）、馬西莫·羅伯托（空間望遠鏡研究所）、艾麗莎·佩根（空間望遠鏡研究所）

美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡利用其強大的紅外能力，首次探測并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勃太空望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對火焰星云的觀測。火焰星云是附近的恒星形成星云，年齡不到100萬年。對比中，三個低質量天體被突出顯示。在哈勃的觀測中，這些低質量天體被該區域濃密的塵埃和氣體所掩蓋。然而，由于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）

火焰星云距離地球約1400光年，是一個年輕而活躍的恒星形成區域——年齡不到一百萬年。在這個恒星孕育區內，天文學家發現了一些極其微小的天體，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“失敗恒星”，隨著時間的推移，它們會逐漸冷卻、黯淡，變得比普通恒星暗淡得多，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——盡管它們隱藏在像火焰星云那樣厚厚的塵埃和氣體云層中。

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）

美國宇航局的詹姆斯·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光。利用韋伯望遠鏡強大的能力，一個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。

“該項目的目標是探索恒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。

這張由美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的火焰星云部分近紅外圖像突出顯示了右側插圖中三個低質量天體。這些天體比原恒星溫度低得多，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云中棕矮星的最低質量極限。韋伯圖像將波長為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：美國宇航局、歐空局、加拿大空間局、太空望遠鏡科學研究所、邁克爾·邁耶（密歇根大學）

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

碎裂高度依賴于多種因素，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。如果核心足夠大，它就會開始聚變氫。聚變產生的向外壓力抵消了重力，阻止了坍縮并穩定了物體（當時被稱為恒星）。然而，如果碎片的核心不夠致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。

右圖為火焰星云 (NGC 2024) 的兩張圖像，由韋伯太空望遠鏡的近紅外相機 (NIRCam) 拍攝，并配有羅盤箭頭、比例尺和色標以供參考。這些圖像是哈勃太空望遠鏡拍攝的火焰星云內部的放大區域。北向和東向的羅盤箭頭指示了圖像在天空中的方向。請注意，天空中（從下方看）的北向和東向的關系相對于地面地圖上（從上方看）的方向箭頭是翻轉的。圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Michael Meyer（密歇根大學）、Matthew De Furio（德克薩斯大學奧斯汀分校）、Massimo Robberto（STScI）、Alyssa Pagan（STScI）

密歇根大學的邁克爾·邁耶說：“這些云層的冷卻至關重要，因為如果內部能量足夠，它就能抵抗引力。如果云層有效冷卻，它們就會坍塌并分裂。”

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，從而阻止冷卻并防止進一步坍縮。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一范圍，因為韋伯的普查統計了星云內不同質量的碎片。

“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范圍內，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，而當質量低于木星十倍時，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于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就是極限本身。”

邁耶補充道：“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，那么我們的銀河系中就不應該存在任何質量相當于木星的天體自由漂浮，除非它們最初是行星，然后被行星系統拋射出去。”

棕矮星雖然難以發現，但其與恒星和行星的相似性，為恒星形成和行星研究提供了豐富的信息。美國宇航局的哈勃太空望遠鏡幾十年來一直在搜尋這些棕矮星。

盡管哈勃望遠鏡無法像韋伯望遠鏡那樣觀測到火焰星云中質量較低的棕矮星，但它對于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勃望遠鏡數十年來從獵戶座分子云復合體獲得的數據，并開展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。哈勃望遠鏡過去30年左右的觀測數據讓我們知道，這是一個非常有價值的恒星形成區域。我們需要韋伯望遠鏡來研究這個特殊的科學課題，”德弗里奧說。

“這是我們理解哈勃望遠鏡觀測結果能力的一次巨大飛躍。韋伯望遠鏡真正開辟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。

該團隊正在繼續研究火焰星云，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，”邁耶說道。“而我們未來五年的任務就是：弄清楚它們究竟是什么，以及原因。”

這些結果已被《天體物理學雜志快報》接受并發表。

編譯自/ScitechDaily