李政道研究所冯发波等在褐矮星研究中取得重要进展

大家都知道，恒星是自身发光的天体，而行星是本身不发光的天体。然而，鲜为人知的是在行星和恒星之间还有一类天体，被称为褐矮星。它不像恒星那样可以通过氢核聚变持续不断地产生可见光，但是其内部的高温高压却可以点燃氘核聚变，产生一定的红外光，所以，也不像行星那样完全不发光。然而，褐矮星内部的氘核聚变最多只能持续上亿年，随着热辐射不断带走能量，褐矮星的表面温度越来越低，颜色越变越暗，所以被称为“褐矮星”。由于褐矮星内部由向外的电子简并压来抗衡向内的引力，它的半径不会因为质量增加而增加，而是会维持在一个木星半径左右。“褐矮星就像一个长不大的小孩”，李政道学者冯发波戏称。

图 1 褐矮星和行星、恒星大小的对比。（图源自网络，侵删）

然而，至今为止，科学界还没有形成一个对褐矮星统一的定义。如果按照是否产生氘核和氢核聚变来界定褐矮星和恒星以及行星的界限，它的质量范围应该在13至75个木星质量之间。不过，氘核聚变产生的条件和时间长度与褐矮星的大小、金属丰度都有密切关系，所以13个木星质量只是一个平均值。另外，天文学家在年轻恒星形成区中发现了不围绕恒星运动的质量小于13倍木星质量的天体，证明这类天体更像恒星一样直接从分子云坍缩而形成，而非像行星一样形成在恒星周围的吸积盘里面。这样，天体的形成机制和内部核聚变的条件对褐矮星给出了不同的定义。

图 2 本工作发现的61个多伴星系统

为了发现褐矮星与行星和恒星在形成机制上的边界，李政道学者冯发波与来自中国、美国、澳大利亚、英国、和德国的22名科学家合作，通过结合视向速度、天体测量和直接成像的方法发现并确认了167个质量在5-120个木星质量之间、周期在3年以上的亚恒星样本（亚恒星是包括大质量行星、褐矮星和小质量恒星在内的天体的统称）。该样本是目前最大的长周期亚恒星样本，将原有样本扩大近10倍。该工作利用了美国PFS和APF、欧洲HARPS、以及澳大利亚AAT等高精度光谱仪的视向速度数据，并通过与时间相隔24年的欧洲Hipparcos和Gaia卫星的高精度天体测量数据结合，得以探测到轨道周期长达上百年的亚恒星，并且首次实现了对这些天体轨道倾角的精确测量，进而得到了精确的动力学质量，为研究大质量行星、褐矮星和小质量恒星的形成机制并发现这些天体之间的边界提供了“黄金样本”。

“由于观测样本的限制，褐矮星和大质量行星的形成仍是一个谜团。我们的发现将原有亚恒星样本扩大了10倍，大大促进了亚恒星形成之谜的解开。”李政道学者Masahiro Ogihara说道。

“简而言之，我们的工作就是在行星和恒星形成的边界上找到了大量的天体，它们将成为我们理解行星与恒星形成异同的金钥匙！”冯发波补充说。

目前，冯发波副教授正带领一个国际团队对这些亚恒星的形成机制进行研究，有望在不久的将来揭开亚恒星的形成之谜，并从形成机制的角度对褐矮星给出一个清晰的大家公认的定义。

论文链接：

Fabo Feng et al “3D Selection of 167 Substellar Companions to Nearby Stars”, in The Astrophysical Journal Supplement Series 262 21 (2022) link: https://doi.org/10.3847/1538-4365/ac7e57

背景资料：

李政道研究所系外行星研究团队的Masahiro Ogihara副教授 、Masataka Aizawa博士、崔开明博士、博士生宣一帆以及即将入职李所的Francesco Flammini Dotti参与了本次工作。本次工作还使用了来自全球24个望远镜和光谱仪的数据，其中美国卡内基研究所的Paul Butler所领导的PFS项目、美国加州大学克鲁兹分校利克天文台的Steven Vogt领导的APF项目、澳大利亚新南威尔士大学Chris Tinney教授领导的AAT项目为此次工作提供了重要数据。另外，卡内基研究所的Matt Clement为模拟亚恒星样本中的多行星系统的稳定性做出了重要贡献。