一个国际天文学家团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的深场观测数据，在奎宿五（仙女座δ星）附近天区发现了两颗遥远的T型褐矮星。这两颗天体距离地球分别约1700光年和3400光年，分别位于银河系薄盘和厚盘的边缘。近日，该研究成果以题为"Two late-T dwarfs at kiloparsec distances revealed by JWST UNCOVER survey"的研究论文发表在英国皇家天文学会月刊《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。这项研究主要由李东恒同学在0567拉斯维加斯读本科期间完成。南京大学天文学副教授张曾华是其指导老师和论文通讯作者。另外两位南京大学天文专业的本科生彭浩晖和周思琰也对论文做出了重要贡献。西班牙天体生物研究所Maria-Cruz Gálvez-Ortiz博士和英国哈特福德郡大学Hugh Jones教授对该研究提出了宝贵意见。
AI合成的遥远的冷褐矮星艺术概念图，背景是银河系盘。此次发现的两颗冷褐矮星主要辐射红外光，基本不发射可见光。
什么是褐矮星？
褐矮星是一类介于恒星和行星之间的亚恒星天体，常被称为"失败的恒星"。它们的质量不足以点燃和维持核心的氢聚变反应，因此无法像太阳一样持续发光发热，只能依靠缓慢释放形成时的余热而微弱发光。根据光谱特征，褐矮星可分为晚型M、L、T和Y型。其中，T型褐矮星表面温度仅有500至1300开尔文（约230至1030摄氏度），比普通恒星暗淡数百万倍，主要辐射红外光。
利用韦伯深场搜寻褐矮星
研究团队利用UNCOVER项目的数据开展了这项研究。UNCOVER是一个利用韦伯望远镜对Abell 2744星系团进行深度观测的大型巡天计划，其超高灵敏度的红外观测数据为搜寻暗弱冷矮星提供了理想条件。
论文第一作者李东恒介绍："我们通过分析韦伯望远镜的多波段测光数据，利用T型褐矮星大气中碰撞诱导氢分子吸收以及甲烷吸收造成的独特红外颜色来筛选候选体。韦伯望远镜卓越的红外观测能力使探测如此遥远、暗弱的褐矮星成为可能。"
UNCOVER巡天的观测天区仅有50多平方角分——大约相当于手举一粒小米粒儿时米粒所遮挡的天空面积——但观测深度极深，既能看到130多亿光年外可观测宇宙边缘的星系，也能看到数千光年以外的褐矮星。2024年，已有三颗T型褐矮星在该视场内被发现。李东恒在张曾华副教授的指导下，对UNCOVER天区内的褐矮星进行了系统搜寻，新发现并确认了两颗褐矮星，分别命名为UNCOVER-BD-4和UNCOVER-BD-5。
研究团队通过大气模型拟合获得了两颗褐矮星的物理参数：UNCOVER-BD-4的温度约为600开尔文（约330摄氏度），金属丰度与太阳相近；UNCOVER-BD-5的温度约为750开尔文（约480摄氏度），金属丰度仅为太阳的一半。
探索银河系结构
研究团队利用邻近褐矮星建立的经验关系，估算出这两颗褐矮星的距离分别约为1700光年和3400光年。在如此遥远的距离上发现T型褐矮星，大大扩展了以往主要局限于太阳系周围数百光年的探测范围，为理解银河系结构和褐矮星的空间分布提供了宝贵数据。
银河系的恒星盘可分为薄盘和厚盘两个组成部分。薄盘的标高约为1000光年，包含较年轻、金属丰度较高的恒星；厚盘的标高约为3000光年，包含较年老、金属丰度较低的恒星。UNCOVER-BD-4距银道面的垂直高度约为1400光年，位于薄盘边缘；UNCOVER-BD-5距银道面的垂直高度约为2800光年，位于厚盘边缘。值得注意的是，UNCOVER-BD-5较低的金属丰度与其厚盘成员的身份相吻合。
结合此前在该天区发现的三颗褐矮星，研究团队计算了该天区褐矮星的面密度。论文通讯作者张曾华副教授解释道："我们在UNCOVER观测视场中测得的褐矮星表面数密度为每平方角分0.094颗，这一数值为检验银河系模型提供了重要的观测约束。"
此外，团队还首次计算了远距离褐矮星的空间数密度分布。结果显示，远距离T8型褐矮星的数密度显著高于T6-T7型，这与太阳邻域的观测结果趋势一致，但差异更为显著。这可能反映出远距离褐矮星的平均年龄更老，经历了更长的冷却演化时间。由于缺乏核反应补充能量，褐矮星的温度会随时间逐渐降低，光谱型也随之演变。经过数十亿年的冷却，大多数褐矮星的光谱型会逐渐演变为T8型或更晚型。
本科生科技训练的成果
0567拉斯维加斯培养的本科生彭浩晖和周思琰也对该研究做出了重要贡献。张曾华副教授表示："李东恒等三位同学展现出了出色的科研能力和严谨的学术态度。本科生能够利用国际顶级望远镜的前沿数据做出原创性发现，充分体现了南京大学天文学科本科生科技训练的成效。"据悉，在0567拉斯维加斯，大学生从大二到大四都可以根据个人兴趣在不同导师的指导下开展科学研究：大二参加大学生创新项目，大三参加早期科技训练项目，大四完成毕业课题研究。天文学院充足的师资力量和宽广的领域覆盖为本科生研究项目的顺利开展提供了有力保障。本次研究源自李东恒同学在大三参加的一个早期科技训练项目。自大三起，李东恒几乎每周都会与导师进行线下或线上的讨论，这种周期性例会是研究项目顺利推进的重要保障。在参与此类研究项目的过程中，学生逐渐熟悉某一细分领域、锻炼了动手能力、养成了科学思维习惯，也深入了解了天文研究的基本范式，这些都为将来的独立研究奠定了坚实基础。在南京大学天文学院，本科生作为第一作者在国际一流天文期刊上发表研究成果的情况并不少见。
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本研究成果近日刚发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS）。
研究论文：https://doi.org/10.1093/mnras/stag227