南京大学研究团队与国际合作者在82光年外的唧筒座天区发现了一个极其罕见的两级四星系统，这是相互环绕的一对超冷褐矮星与一对年轻红矮星。相关研究成果8月19日发表于英国《皇家天文学会月刊》。
这个名为UPM J1040-3551系统的发现，意味着天文学家对这些难以捉摸的天体，以及太阳邻近恒星系统的多样化形成通道有了进一步的理解。
UPM J1040-3551四星系统艺术概念图。图片来自：钟嘉欣、张曾华
南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华带领国际团队，利用欧洲空间局“盖亚”（Gaia）天体测量卫星和美国国家航空航天局广域红外线巡天探测器（WISE）的观测数据，发现该系统天体具有相同的角速度，并进一步开展了全面的光谱观测和分析，识别出这个两级四星系统，将其命名为UPM J1040-3551 AabBab。其中，Aab指的是亮星对Aa和Ab，Bab指的是暗星对Ba和Bb。
“这次发现的两级四星系统是两对天体各自以几十年的周期相互环绕。这两对天体也绕着一个共同的质心公转，周期超过10万年。”张曾华告诉《中国科学报》，“这次发现特别令人惊喜的是层级性，这是多星系统长期稳定运行的保障。”
这两对天体之间的距离达到1656个天文单位（AU，1AU为1.5亿千米）。两对天体中的亮星对UPM J1040-3551 Aab由两颗质量相近的红矮星组成，目视星等为14.6，在可见光波段的亮度大约是北极星的10万分之一；暗星对UPM J1040-3551 Bab由两颗温度低得多的褐矮星组成，几乎不发出可见光，Bab在近红外波段的亮度大约是Aab对的1/1000。如果要用肉眼观察这对恒星，需要将它们移至距离地球仅1.5光年的位置。
据张曾华介绍，亮星对最初因在Gaia多次观测中呈现光心的摆动而被怀疑是一对密近双星，并通过异常亮度得到证实——比同距离、同温度的单恒星亮约0.7星等，是因为这对几乎等质量的双星产生了双倍的合并光度。同样，暗星对被确认是一对密近双褐矮星，因为其绝对星等比同光谱型的普通单褐矮星明显更亮。近红外光谱拟合分析也强有力地支持了这一结论，即双星模板比单星模板拟合的更好。
在此次研究中，巴西国家天体物理实验室的Felipe Navarete进行了关键的光谱观测，使得团队可以详细研究并刻画该系统的天体。利用美国国家光学红外天文研究实验室设置在智利的南方天体物理研究望远镜（SOAR），Navarete获得了亮星对的光学光谱，同时还利用SOAR观测了暗星对的近红外光谱。
Navarete指出：“由于褐矮星暗淡，这些观测具有挑战性，但SOAR的强大观测能力使我们也可以获取了解这些天体性质所需的关键光谱数据。”
研究表明，亮星对的两颗恒星均为M型红矮星，温度约为3200开尔文，质量为太阳质量的17%。暗星对包含了更加奇特的天体，即温度分别为820开尔文和690开尔文的两颗褐矮星。“褐矮星是体积小、密度高的低质量天体，该系统中的褐矮星大小与木星相似，质量却是木星的10到30倍。事实上，在这个范围的低质量端，这些天体可以被视为‘行星质量’天体。”张曾华解释说。
“这是迄今发现的第一个由一对T型褐矮星围绕一对恒星运行的四星系统。”论文作者之一、西班牙天体生物学中心的Maria-Cruz Gálvez-Ortiz指出，“这一发现为研究这些神秘天体提供了一个独特的宇宙实验室。”
褐矮星的质量介于恒星和行星之间——质量过大而不能被视为行星，但又能像恒星那样维持氢聚变。与恒星不同，褐矮星形成后就开始持续冷却，这会改变温度、光度和光谱特征等可观测的性质。
这种持续的变化过程给褐矮星研究带来了一个根本性的挑战，即“年龄-质量简并问题”。一颗具有特定温度的孤立褐矮星，既可能是更年轻、质量更小的天体，也可能是更古老、质量更大的天体。假如没有额外信息，天文学家无法区分这两种可能性。
“拥有宽距恒星伴星的褐矮星，年龄能够最终靠其伴星独立限定。它作为年龄基准，在打破年龄-质量简并方面具有宝贵价值。”论文作者之一、英国赫特福德郡大学的Hugh Jones解释说，“因此，此次发现的UPMJ1040-3551两级四星系统尤其宝贵，因为来自亮星对的H-alpha发射线表明该系统相对年轻，在3亿到20亿年之间。”
未来，研究团队将通过高分辨率成像技术分辨暗星对，从而精确测量其运动轨道和动力学质量。
“该系统为褐矮星科学研究带来了双重益处。”论文作者之一、美国加州大学圣迭戈分校的Adam Burgasser说，“如果我们也可以分辨褐矮星双星并追踪轨道，那么它既可当作校准低温大气模型的年龄基准，又可当作检验演化模型的质量基准。”
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