近日，中国科学院南京天文光学技术研究所何晋平研究员团队与英国赫特福德大学 Ben Burningham团队及日本国立天文台 Yuka Fujii等合作者通过三维蒙特卡洛辐射传输模拟，系统研究了棕矮星大气热辐射偏振信号的形成机制，揭示了偏振观测在刻画棕矮星大气云层和温度结构方面的独特优势。研究提出了一种利用热辐射偏振约束棕矮星大气云粒子微物理性质的新方法，为解决长期困扰该领域的参数退化问题提供了新的思路。相关成果已于2026年1月发表在国际天文学期刊 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society上。

据论文第一作者王飞博士介绍，棕矮星是一类介于恒星和行星之间的亚恒星天体，其大气中普遍存在由硅酸盐、金属氧化物等物质组成的云层。这些云层会显著影响棕矮星的光谱、颜色和亮度变化，是理解其大气结构和演化过程的关键因素。然而，由于云粒子大小、云层厚度以及大气温度结构之间存在严重的“简并”关系，传统基于光通量光谱的研究方法往往难以对这些参数进行准确区分。

图1 棕矮星大气及热辐射偏振示意图

在本项研究中，研究人员引入了热辐射偏振光谱这一新的观测手段。当棕矮星大气中的热辐射光子被云粒子散射时，会产生微弱的线偏振信号。研究团队利用三维蒙特卡洛辐射传输方法，对不同云粒子参数和温度结构条件下的偏振信号进行了系统模拟，重点分析了云粒子尺寸、云层光学厚度以及大气温度梯度对偏振特征的影响。

图1 示意了棕矮星大气中云层的分布，以及热辐射在云粒子散射作用下产生偏振信号的过程。偏振特性与云粒子大小、云层厚度和大气温度结构密切相关。研究结果表明，热辐射偏振光谱对云粒子尺寸具有高度敏感性。在特定粒子尺寸范围内，偏振度随波长变化会出现明显的峰值结构，而这些特征在传统的通量光谱中几乎不可见。与此同时，云层的光学厚度主要影响偏振信号的整体强度，而大气温度结构则决定了偏振光谱随波长变化的具体形态。特别是在水汽等分子吸收带附近，偏振光谱中会呈现出更加精细的结构信息，这些特征直接反映了不同高度处大气温度梯度的变化。

图2 偏振光谱揭示棕矮星大气性质。左：在不同化学丰度、温度分布的情况下可产生相似的通量光谱。右：对应的偏振光谱在分子吸收带内表现出显著差异，显示偏振观测可有效打破传统光谱分析中的模型简并情况。

研究指出，如果未来近红外波段（1–2 微米）的偏振观测灵敏度能够达到 10^-5量级，热辐射偏振将成为约束棕矮星大气云层性质和温度结构的有力工具。这一方法可与传统光谱观测形成互补，有望显著降低大气反演中的不确定性，加深我们对棕矮星乃至类行星大气物理过程的认识。该工作为将偏振光谱观测系统性引入棕矮星大气研究奠定了重要的理论基础，也可为未来高精度偏振仪器的设计和科学目标规划提供参考。

论文链接：https://doi.org/10.1093/mnras/staf2190