天文学家在有100亿年历史的褐矮星上发现难以捉摸的云形成化学物质

天文学家利用美国国家科学基金会（NSF）的南双子座望远镜以及美国国家航空航天局（NASA）/欧洲航天局（ESA）/加拿大航天局（CSA）的詹姆斯·韦布空间望远镜所收集的数据，在寒冷的褐矮星WISEA J153429.75 – 104303.3（简称W1534）上，探测到了甲烷（CH₄）、水（H₂O）和硅烷（SiH₄）气体的特征。尽管硅烷被认为是气态巨行星中云形成元素硅的关键储存库，但此前一直未被探测到，因为在深处形成的硅酸盐云会将其从可观测的大气中去除。

这颗昵称为“意外”的W1534褐矮星，位于天秤座，距离地球约50光年。它很可能形成于100 – 120亿年前，是迄今发现的最古老的褐矮星之一。2020年，参与“后院世界：第九行星”公民科学项目的一位公民科学家首次发现了它。其奇特的光变曲线引起了天文学家的兴趣，于是他们借助世界上两台最强大的地基和空间望远镜，来观测其大气，以更好地了解它的性质和组成。

这项研究始于NSF的美国国家光学红外天文研究实验室（NOIRLab）天文学家桑迪·莱格特，他使用位于智利的南双子座望远镜（国际双子座天文台的一部分）获取了W1534的近红外图像。这为NOIRLab天文学家亚伦·迈斯纳领导的、利用韦布望远镜进行的进一步研究奠定了基础。迈斯纳博士表示：“W1534极其暗淡，南双子座望远镜是目前唯一能够探测到它的地基望远镜。双子座望远镜的探测，让我们能够估计探测这个神秘天体深层大气所需的曝光时间，并获得关于其组成的有用近红外数据，为韦布望远镜的观测做好了准备。”

在W1534的大气中，研究团队确凿地发现了硅烷（由硅与四个氢原子结合而成的化学物质）的特征。行星科学家长期以来一直预测，这种分子存在于气态巨行星中，并且在其大气内云的形成过程中发挥着重要作用。尽管经过数十年的搜寻，在太阳系气态巨行星木星和土星的大气中，以及科学家研究过的围绕其他恒星的褐矮星和气态巨行星的数千个大气中，都未探测到它。此次是首次在褐矮星、系外行星或太阳系天体中发现硅烷。

这一分子仅在这颗独特的褐矮星中被发现，这一事实暗示了在如此古老环境中发生的化学过程。美国自然历史博物馆的研究员杰基·法赫蒂博士说：“有时正是极端的天体，帮助我们理解普通天体中发生的事情。”W1534大气中硅烷的存在表明，在非常古老的天体中，硅可以与氢结合形成轻质分子，这些分子能够到达气态巨行星大气的上层。但在像木星和土星这样较新形成的天体中，硅会与更容易获得的氧结合，形成较重的分子，这些分子会沉入大气表层以下深处，无法被我们的望远镜探测到。

在W1534大气中发现的证据，证实了天文学家对气态巨行星云形成的理解，并为原始形成如何影响行星大气组成提供了关键见解。此外，它还揭示了数十亿年前形成的天体，与太阳系形成初期形成的天体，可能存在巨大差异。研究作者总结道：“硅烷的形成和探测，展示了寒冷褐矮星和行星大气中成分、云形成和大气混合之间的关键耦合关系。”他们的论文发表在《自然》杂志上。