韦伯望远镜看到7.4光年外一颗褐矮星上的水云时厚时薄

迄今发现的最冷褐矮星也有天气。詹姆斯·韦伯太空望远镜对准WISE 0855——一颗距离太阳仅七光年出头、大小与木星相当的暗淡天体——持续观测了十一小时，目睹了其水云随着自转而增厚与变薄。在这些云层之下，一氧化碳和磷化氢以波浪形式起伏升降，从炽热的内核被翻搅上来。

这使得WISE 0855成为太阳系外第一颗天文学家声称能亲眼看到水云变化的天体，而非仅仅推断其可能存在。亚利桑那大学斯图尔德天文台的布列塔尼·迈尔斯（Brittany Miles）领导了这项研究，她说：“这是我们首次能够确认，在一颗邻近世界上，水云正在变薄和变厚。”这也表明，支配木星天空的物理规律，在一颗没有恒星加热的孤独天体上同样适用。

褐矮星的形成方式与恒星类似，但从未聚集到足以点燃氢聚变的质量，因此它们仅靠余热发出微弱光芒，并永远冷却下去。WISE 0855的冷却程度超过了所有已知同类：研究团队将其温度定为约265开尔文（约零下8摄氏度），质量是木星的3至10倍。在太阳系附近，只有半人马座α系统、巴纳德星以及褐矮星对Luhman 16比它更近。

韦伯如何解读一个光点上的天气

对韦伯望远镜而言，WISE 0855只是一个光点。但随着它自转，较暖和较冷的区域以及较厚和较薄的云层会旋转进入和离开视野，从而改变抵达地球的光线。

韦伯的NIRSpec光谱仪记录了44张光谱，每15分钟一张，覆盖2.87至5.27微米的红外波段——这颗寒冷天体在此波段最亮。此前利用美国宇航局已退役的斯皮策太空望远镜进行的研究已显示WISE 0855存在闪烁，但斯皮策仅能测量两个宽色带的亮度。“在JWST之前，我们只有测光数据，那会把云层、化学组成和温度的影响混在一起。现在我们终于能区分它们了，”迈尔斯说。

将光线精细分解到足以区分单个分子谱带，使研究团队能够单独追踪每种气体。变化最大的是来自一氧化碳的信号，在某些波长上，其吸收强度从峰值到谷值变化幅度高达10%。相比之下，水汽谱带几乎纹丝不动。

为了梳理信号，天文学家使用了主成分分析法——一种能从大量变化中找出少数隐藏模式的统计方法。其中一个模式解释了60.5%的变异性，表现为温度或云层覆盖的变化。下一个模式占4.7%，主要追踪一氧化碳，而一氧化碳和磷化氢的变化是同步的。

“这就像透过一扇纱门看世界，纱网滤掉了部分光线，”合著者马克·马利（Mark Marley）说，他是亚利桑那大学月球与行星实验室主任。与一系列大气模型对比后，只有包含水云的模型能匹配平均光谱，而最佳拟合是一个温度为250开尔文的含云模型。

两层天气叠加在一起

这两个信号来自不同高度。水云位于大气高层，气压较低，其厚度随天体自转而变化。一氧化碳和磷化氢的波动则源自更深处的翻滚对流区。

在那里，来自内部的热量将气体向上推，速度之快使化学反应来不及将其转化为大气冷顶层所预期的形态。化学家称这种现象为非平衡态化学，深层混合物在上涌过程中被“冻结”。木星也有类似情况：磷化氢本不应存在于其寒冷的顶层大气中，但那里确实发现了它，因为对流不断将其从下方带上来。在WISE 0855上，抵达顶层的深层气体量似乎以脉冲形式起伏，就像一锅不均匀沸腾的汤。

强烈的一氧化碳信号也暗示了几何结构。研究团队认为，WISE 0855很可能以侧向视角呈现，其赤道正对地球，并且其大部分纬度区域由东西向的长条风带而非孤立风暴塑造——正是这种排列方式赋予了木星条纹外观。

为什么最冷的褐矮星才重要

水云正是WISE 0855吸引大量望远镜观测时间的原因。温度更高的褐矮星携带矿物尘埃和熔铁云。模型预测，只有温度极低（约低于375开尔文）的褐矮星，其大气顶层才冷到足以让水凝结，而WISE 0855是已知唯一足够冷、同时又足够暖（使氨不会冻结）以验证这一预测的天体。

关于云层的证据此前一直在积累，但未能最终确认。其颜色提供了初步线索，夏威夷双子北望远镜的光谱发现了水汽和云层迹象，然而早期的韦伯光谱仍能被无云模型（通过扭曲温度廓线）拟合。而观测单个分子在数小时内的变化，最终打破了平衡。

几天后公布的第二项韦伯研究从另一个天体指向了相同结论。都柏林圣三一大学团队对SIMP 0136（一颗约20光年外、温度更高的褐矮星）应用了相同的模式分析，发现温度和云层高度几乎解释了其全部光变，在超过十几个自转周期中呈现出三种重复出现的天气状态。

“尽管褐矮星并非真正的行星，但它们表现出类似行星的行为，”迈尔斯说。这对韦伯目前正在研究的其他恒星周围的巨行星具有重要意义——这些行星因宿主星的光芒掩盖而更难观测。

研究未解决的问题

自转周期仍然未知。在韦伯十一小时的观测窗口内，数据显示出5.4至5.6小时的显著周期，但更长的周期也能拟合数据，而此前斯皮策的两次观测并未显示一致的节奏。没有确定的周期，就无法绘制云层在球面上的位置。

模型也面临压力。没有任何单一大气模型能再现WISE 0855在1至22微米范围内的完整红外光谱。对韦伯光谱的拟合给出的半径为木星的0.79至0.89倍，小于理论预期（对于该温度和年龄的天体，半径应约为一个木星半径）。测得的磷化氢含量低于化学预测，这一缺失在其他褐矮星中也曾出现，而根据不同分子推断出的垂直混合强度并不一致，作者认为可能需要采用不同重元素比例的模型。

侧向取向是推断而非测量结果，所有时间序列数据均来自一次十一小时的观测。该研究未涉及生命问题，WISE 0855既无表面也无星光来支持任何生命。

关于WISE 0855的常见问题

什么是WISE 0855？

WISE 0855，全称WISE J085510.83−071442.5，是已知最冷的褐矮星，也是距离太阳第四近的已知系统，位于长蛇座。它孤独地漂移，没有恒星，在红外光中发出微弱光芒。

WISE 0855有多冷？

根据这项研究，约为265开尔文，约零下8摄氏度或17华氏度。其他估计值接近276开尔文，略高于冰点。没有其他已知褐矮星如此寒冷。

WISE 0855有水云吗？

是的，根据韦伯数据。没有水云的模型无法匹配其平均光谱，而且其光变在数小时内的模式符合水云斑块随天体自转而增厚变薄的特征。

褐矮星是行星还是恒星？

严格来说，两者都不是。褐矮星的形成方式类似恒星，但质量太轻，无法维持氢聚变。WISE 0855的质量估计为3至10个木星质量，轻到有些天文学家会称其为自由漂浮的行星质量天体。

WISE 0855有多远？

约7.4光年，即2.3秒差距。其光线需要七年多一点才能到达地球，已知只有三个系统比它更靠近太阳。

下一步计划

凯文·卢曼（Kevin Luhman）于2013年在NASA的WISE巡天数据中发现了WISE 0855，发现结果于2014年4月公布，双子北光谱于2016年发布。韦伯于2023年12月2日记录了这十一小时的序列。这项有27位作者的研究已被接收发表，并于2026年9月以预印本形式发布；都柏林圣三一大学团队关于SIMP 0136的结果于2026年10月发表在《天文学与天体物理学》期刊上。

迈尔斯希望申请更多韦伯观测时间来锁定自转周期，并构建大气层的三维地图。下一个目标是观测太阳系家族之外最近世界上几个完整的自转周期——那里的天气预报是：多云，有降水概率。

参考文献：Miles et al., “Water Cloud and Chemical Modulations in the Coldest Brown Dwarf,” accepted for publication, 2026. arXiv: 2609.20664

标签: 天文学, James Webb Space Telescope, JWST, 褐矮星, University of Arizona, WISE 0855