《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：A proto-brown dwarf candidate ejected from a multiple system and hosting a highly substructured disc
盘碎裂（disc fragmentation）及随后的动力学相互作用导致的抛射是褐矮星（BDs）的一种潜在形成机制。然而，具有确凿抛射证据的褐矮星数量极为稀少。利用ALMA与VLA干涉仪获得的多历元观测数据，研究人员对位于VLA 1623系统东北方向的两个极低光度天体——SM1-A与原褐矮星候选体Source X——进行了自行的天体测量研究。天体测量研究表明，Source X相对于VLA 1623 B以约4 km s?1的速度运动，并可能在大约3000–7000年前从邻近的多重系统VLA 1623中被抛射出来。此外，Source X的星盘在1 mm与3 mm波段均被良好分辨，并呈现出一个显著的、大质量的、光学厚的环状结构，其性质并非典型原行星盘所具有。研究人员通过数值模拟探索了围绕单星与双星天体的盘碎裂（disc fragmentation）情景。该情景能够产生保留其环双星盘的紧密抛射原褐矮星双星，尽管被抛射天体周围的星盘比Source X中观测到的星盘更为致密且质量更低。总体而言，Source X作为一个从多重系统中抛射出的有前景的原褐矮星候选体而引人注目，其星盘性质呼唤对抛射极低质量天体周围星盘的数值模拟开展进一步研究。
**研究背景与科学问题**
褐矮星（brown dwarfs, BDs）与自由漂浮行星（free-floating planets, FFPs）自20世纪90年代中期被发现以来便备受关注，因为它们的 existence 对当前公认的恒星天体形成机制提出了挑战，并可能与行星的形成相关联。褐矮星的质量不足以在其内部维持持续的氢核聚变，质量?0.075 M
⊙；自由漂浮行星（或称孤立行星质量天体）的质量假定?0.010 M
⊙。这些极低质量天体的形成机制是激烈争论的焦点。一种可能性是它们以低质量恒星的缩小版本形成，即分子云碎裂（fragmentation）的产物。然而，近期研究表明，在太阳邻域的某些云中，亚恒星天体相对于预期初始质量函数（initial mass function, IMF）存在过剩，暗示可能有额外机制在起作用。此外，场星中恒星与褐矮星的双星分离分布和双星质量比观测似乎与理论预测不符，而更符合动力学起源——预期紧密分离与近等质量。因此，一种能自然解释上述观测的替代情景涉及褐矮星与自由漂浮行星的动力学起源。
考虑动力学事件的模型可分为两大类。第一类考虑恒星胚胎或原恒星核之间的动力学相互作用：分子云经历碎裂，由此产生的天体经历动力学相互作用与抛射，从而中止其后续吸积。该情景的间接证据基于亚恒星天体的空间分布或速度弥散，尽管被抛射天体是否应相对于原位形成天体呈现显著运动学差异仍有争议。第二类涉及动力学相互作用的模型认为相互作用发生在原恒星盘中形成的天体之间，这些天体可能通过盘碎裂或核吸积与行星-行星散射形成。在此情景中，预期抛射速度较低，几乎无法与场星区分。若该情景成立且被抛射天体通过核吸积形成，则预期被抛射天体呈现超太阳金属丰度。因此，上述预测与可能有利于动力学情景的证据均为间接的，而经确认在动力学相互作用中被抛射的褐矮星或自由漂浮行星数量极少。尽管有针对单个天体的研究努力，仍缺乏支持动力学抛射情景的直接证据。褐矮星或自由漂浮行星的确凿范例应表明被抛射天体确实来自特定抛射 site，这可通过精确天体测量来探索。随着更多被抛射天体范例被发现，将有可能评估该机制对褐矮星与自由漂浮行星形成的相关性。
**研究人员开展的研究与结论**
本工作中，研究人员呈现了对多重系统VLA 1623（位于Ophiuchus云，距离137.3 pc）附近极低质量天体Source X与SM1-A的自行研究。VLA 1623拥有至少4个天体（Aa、Ab、B、W）的多重系统，可能是原恒星核动力学相互作用的潜在 site。鉴于VLA 1623多重系统的高阶性，该系统周围区域是搜寻可能从其抛射天体的极佳场所。研究人员利用ALMA与VLA档案数据，对SM1-A（2012.50–2023.62，跨度约11年）与Source X（2015.33–2023.62，跨度约8年）进行了天体测量分析，并结合JWST数据构建了Source X的光谱能量分布（spectral energy distribution, SED），利用高分辨率ALMA数据研究了其星盘形态，并通过数值模拟探索了盘碎裂情景。主要结论如下：天体测量研究覆盖SM1-A 11年与Source X 8年，确立了SM1-A与Ophiuchus最年轻星族良好一致的自行，以及Source X的异常自行——其相对于VLA 1623 B的切向运动约4 km s
?1。Source X的向后线性轨迹表明其约3000–7000年前从VLA 1623多重系统被抛射，更具体地来自W分量，尽管考虑自行不确定性不能排除起源于A/B对的可能性。Source X在4.44与7.70 μm被JWST探测到，并估算了24与70 μm的上限，由此导出内部光度上限L
int<0.11 L
⊙以及吸积质量上限<0.07 M
⊙；结合该天体最可能处于Class 0/I相，使Source X成为有前景的原褐矮星候选体。高角分辨率ALMA数据揭示Source X在1.3与3 mm均呈现显著环结构，半径约32 au，且环的尘埃不透明度高于盘中心部分；假设气尘质量比100与尘埃温度20 K，星盘气+尘质量范围为0.004–0.033 M
⊙。与D. Stamatellos & A. P. Whitworth (2009)关于单原恒星周围盘碎裂的数值模拟比较（对应VLA 1623 W盘碎裂）显示，模拟中13个被抛射天体有2个性质与Source X在2倍因子内相符：抛射速度0.9–2.7 km s
?1、双星分离0.3–0.6 au、双星分量质量59–88 M
Jup、盘尺寸10–30 au；然而模拟中被抛射双星的M
disc/M
star远低于采用3 mm测量盘质量得到的Source X盘比值（>0.5）。针对VLA 1623 A双星系统专门运行的环双星盘碎裂数值模拟产生2个（36个中）被抛射天体，速度2.3–3.6 km s
?1、质量约14 M
Jup，尽管它们均非双星且均未保留星盘，这一点有待进一步探索。Source X的盘质量在M
disc–M
star图中相对于原位形成盘的预期趋势呈现明显过剩，更接近盘碎裂情景的预测；被抛射天体能否保留具有显著环结构的星盘仍有待探索。总体而言，天体测量分析表明原褐矮星候选体Source X的自行与从VLA 1623系统被抛射一致，这促使进一步观测以确认该情景并进一步搜寻此类天体，这对从观测侧检验褐矮星与自由漂浮行星形成的盘碎裂情景至关重要。此外，Source X盘中探测到的显著环结构呼唤对极低质量天体周围原行星盘子结构形成的进一步建模。
**关键技术方法**
研究人员利用ALMA与VLA档案数据（共5次VLA与12次ALMA观测，ALMA覆盖band 3–7，VLA覆盖X、K、Q波段），通过二维高斯拟合（CASA任务imfit）测定天体位置，并依次应用增益定标器目录位置校正与三角视差校正（采用?=7.28±0.06 mas），通过线性拟合获得自行；采用JWST F444W与F770W滤波片孔径测光构建SED并结合演化轨迹估算质量上限；利用高分辨率ALMA（项目2019.1.01074.S，角分辨率?0.1 arcsec）1.3与3 mm数据，通过GoFish软件包计算强度径向轮廓并构建谱指数图；采用Smooth Particle Hydrodynamics（SPH）代码seren对环双星盘碎裂进行数值模拟（10次不同初始实现的模拟集合）。样本队列来源为Ophiuchus云L1688区域，距离137.3 pc。
**研究结果**
3.1 自行：通过对SM1-A与Source X多历元位置的线性拟合，获得SM1-A自行（μα cos δ=?9.11±1.43 mas yr
?1，μδ=?25.49±0.92 mas yr
?1）与Source X自行（μα cos δ=?1.15±2.55 mas yr
?1，μδ=?22.70±2.37 mas yr
?1）。与VLA 1623 B比较表明SM1-A自行与VLA 1623 B一致，而Source X在赤经方向显著不同。在Ophiuchus自行图中，SM1-A、VLA 1623 B与W位于Pop. 1典型自行范围内，而Source X位于已知两星族轨迹之外，其自行明显异常。向后轨迹外推表明Source X与VLA 1623 W的最近接近发生在7244年前（投影分离约152.8 au），与VLA 1623 A/B的最近接近发生在2928年前（投影分离约784.6 au），与Source X在过去约7000年内从VLA 1623 W或A/B被抛射一致。
3.2 ALMA+JWST数据的SED：利用JWST F444W与F770W探测及24、70 μm上限构建Source X的SED，通过两种独立方法一致获得内部光度上限L
int<0.11 L
⊙。鉴于SM1-A的bolometric光度约0.035 L
⊙且Source X在所有波长通量密度更低，Source X的bolometric光度因而L
int必小于0.035 L
⊙，对应吸积质量<0.07 M
⊙。结合JWST测光与演化轨迹获得的中心天体质量上限范围为0.02–0.15 M
⊙（受消光律不确定性影响），文中采用吸积质量上限<0.07 M
⊙。
3.3 Source X的ALMA亚角秒连续谱发射：高分辨率ALMA数据揭示Source X具有高度结构化的星盘，在1.3与3 mm均呈现清晰环结构与中心致密源。通过径向轮廓识别出de-projected半径32 au处的环与17 au处的间隙，倾角i=65°、位置角PA=?52°。1.3 mm总通量密度31.5±3.2 mJy对应盘气+尘质量0.0039±0.0004 M
⊙，3 mm通量密度6.02±0.30 mJy对应0.033±0.002 M
⊙，采用盘质量范围0.004–0.033 M
⊙。R90盘半径为56.9±8.9 au。环与中心区域的亮度对比从1.3至3 mm递减，表明中心比环光学更薄，与太阳质量恒星周围原行星盘的典型观测相反，可由环中强尘埃陷阱或环中尘埃颗粒尺寸达a～λ/2π=480 μm解释。谱指数图显示环区谱指数低至约1.5，中心约2.5，证实环光学更厚；环区极低谱指数可由光学厚区毫米级尘埃颗粒散射、沿视线温度梯度或尘埃向中面高效沉降解释。
**讨论与结论**
讨论部分首先探讨了Source X的性质：尽管毫米连续谱已被多位作者探测，谱线发射更为难以捉摸；Source X被X射线探测排除其前恒星性质，有作者建议其为低质量原恒星天体；鉴于此前红外巡天无红外对应体，其光度必极低，R. Kawabe et al. (2018)提出约0.01 L
⊙的极低光度并建议Source X为原褐矮星候选体。A. Palau et al. (2024)提出良好原褐矮星候选体的三项要求：L
int≤0.13 L
⊙、T
bol<650 K、M
env≤0.3 M
⊙；Source X满足标准(i)与(iii)，而T
bol标准因当时SED仅>1 mm探测而无法评估。随着JWST探测，本工作获得L
int<0.11 L
⊙与M
star<0.07 M
⊙，加之H. Kirk et al. (2017)获得的约0.07 M
⊙总气+尘质量，周围气尘质量与吸积天体质量相近，合理假定Source X处于Class 0/I相，与P. Andre, D. Ward-Thompson & M. Barsony (1993)标准一致，强烈表明Source X可归类为良好原褐矮星候选体。关于Source X大质量带间隙星盘的起源，被抛射天体保留星盘在数值工作中是可行的（如M. R. Bate 2018报道中位特征盘半径30 au，与Source X环半径约32 au一致），但Source X盘因清晰、光学厚、大质量环而特殊；亚结构在亚恒星天体中并不常见，因亚恒星天体中径向漂移被认为高度高效；Source X盘在1与3 mm均呈现清晰间隙且中心区光学更薄，其盘质量大于Ophiuchus褐矮星盘样本中任何盘，为Lupus质量<0.1 M
⊙极低质量天体中最大质量与最大尺寸的盘。产生显著腔的已知机制包括行星与双星潮汐截断；潮汐截断情形下腔约三倍双星半长轴，对应双星半长轴a<11 au（角尺度<0.08 arcsec，与ALMA角分辨率相当，难以分辨）；盘碎裂模拟中被抛射BD–BD双星分离?1 au，预期腔尺寸仅3 au，比观测小约一个数量级。引力不稳定亦可产生腔，需M
disc/M
star在0.1–0.6范围；Source X若采用3 mm质量则M
disc/M
star>0.5，盘可能引力不稳定并由此机制形成环，但该亚恒星天体如何形成如此大质量盘以及引力不稳定性对动力学抛射天体的行为仍有待研究。高盘质量起源尚不清晰，可能包括盘质量高估（若采用26 K而非20 K尘埃温度，质量范围0.003–0.025 M
⊙，变化不大）、气尘质量比可能低至约10（给出0.0004–0.0033 M
⊙，但AGE-PRO项目在Ophiuchus发现100至1000的值）、以及动力学事件如自由漂浮行星捕获与并合或云块捕获等。
结论部分翻译如下：为阐明VLA 1623区域两个极低光度天体SM1-A与Source X的起源，研究人员利用ALMA与VLA数据集开展了天体测量研究。主要结论可总结如下：天体测量研究覆盖SM1-A 11年与Source X 8年，确立了SM1-A与Ophiuchus最年轻星族良好一致的自行，以及Source X的异常自行——其相对于VLA 1623 B的切向运动约4 km s
?1；Source X的向后线性轨迹表明其约3000–7000年前从VLA 1623多重系统被抛射，更具体地来自W分量，尽管考虑自行不确定性不能排除起源于A/B对的可能性。Source X在4.44与7.70 μm被JWST探测到，并估算了24与70 μm上限；利用这些测量导出内部光度上限L
int<0.11 L
⊙以及吸积质量上限<0.07 M
⊙；结合该天体最可能处于Class 0/I相，使Source X成为有前景的原褐矮星候选体。高角分辨率ALMA数据揭示Source X在1.3与3 mm均呈现显著环结构，半径约32 au，且环的尘埃不透明度高于盘中心部分；假设气尘质量比100与尘埃温度20 K，星盘气+尘质量范围为0.004–0.033 M
⊙。与D. Stamatellos & A. P. Whitworth (2009)关于单原恒星周围盘碎裂的数值模拟比较（对应VLA 1623 W盘碎裂）显示，模拟中13个被抛射天体有2个性质与Source X在2倍因子内相符：抛射速度0.9–2.7 km s
?1、双星分离0.3–0.6 au、双星分量质量59–88 M
Jup、盘尺寸10–30 au；然而模拟中被抛射双星的M
disc/M
star远低于采用3 mm测量盘质量得到的Source X盘比值（>0.5）。针对VLA 1623 A双星系统专门运行的环双星盘碎裂数值模拟产生2个（36个中）被抛射天体，速度2.3–3.6 km s
?1、质量约14 M
Jup，尽管它们均非双星且均未保留星盘，这一点有待进一步探索。Source X的盘质量在M
disc–M
star图中相对于原位形成盘的预期趋势呈现明显过剩，更接近盘碎裂情景的预测；被抛射天体能否保留具有显著环结构的星盘仍有待探索。总体而言，天体测量分析表明原褐矮星候选体Source X的自行与从VLA 1623系统被抛射一致，这促使进一步观测以确认该情景并进一步搜寻此类天体，这对从观测侧检验褐矮星与自由漂浮行星形成的盘碎裂情景至关重要。此外，Source X盘中探测到的显著环结构呼唤对极低质量天体周围原行星盘子结构形成的进一步建模。为朝此方向推进，进一步约束Source X自行并深入了解其红外与X射线发射性质的观测将极具价值，这将允许更严格地约束Source X的吸积质量；此外，在尘埃光学更薄的波长开展新的深度观测将允许更好地约束其M
disc/M
star比值——理解盘与行星形成的关键参数。从数值方面，揭示被抛射天体盘子结构的新模拟以及被抛射天体穿行时受捕获影响或产生的盘详细演化的模拟将极为有用。这些后续研究对于为该特殊天体的起源提供确凿线索至关重要。
