去幾百光年外的宇宙“看展”？這臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，繪出恒星“搖籃”的畫(huà)卷！

近年來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始走“高雅過(guò)年”的路線，“春節(jié)看展”、“藝術(shù)過(guò)年”成為一股清流。比如在2023年春節(jié)期間，不少上海市民、游客參觀了在上海博物館舉辦的“玉兔精靈”兔年迎春特別展覽。2024年春節(jié)的腳步越來(lái)越近了，預(yù)備看展的你可曾知道，在宇宙幾百光年外的遙遠(yuǎn)空間，有一場(chǎng)壯美的星云“藝術(shù)展”。誰(shuí)有這么大本領(lǐng)，能帶我們看到這樣的“藝術(shù)展”？它就是大名鼎鼎的“詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡”。

01 哈勃繼任者：詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST ，以下簡(jiǎn)稱韋布望遠(yuǎn)鏡）是由美國(guó)宇航局（NASA）、歐洲太空局（ESA）和加拿大太空局（CSA）合作完成。作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，它是目前世界上最復(fù)雜且最昂貴的天文望遠(yuǎn)鏡；搭載了四個(gè)科學(xué)儀器：近紅外相機(jī)（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像儀和無(wú)縫隙光譜儀（FGS/NIRISS）。從這些儀器的名字就可以看出，和哈勃望遠(yuǎn)鏡不同，韋布望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)紅外波段 （見(jiàn)圖 1），波長(zhǎng)大于人眼看到的可見(jiàn)光波段。它的主要任務(wù)包括尋找宇宙大爆炸之后形成的第一代星系，研究星系的演化，觀測(cè)恒星和行星系統(tǒng)的誕生過(guò)程，以及測(cè)量太陽(yáng)系行星和系外行星的化學(xué)成分，探究它們存在生命的可能性。

圖 1. 哈勃和韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波段（圖片來(lái)源：webb space telescope media kit/NASA）

韋布望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的主鏡（6.5 米口徑）能夠提供前所未有的分辨率和靈敏度，人們期待著它為我們呈現(xiàn)更清晰和壯美的宇宙圖景。 2022 年 7 月，韋布望遠(yuǎn)鏡的首批科學(xué)圖像發(fā)布，其中包括了一個(gè)彌漫著氣體和塵埃的星云——船底座星云（Carina Nebula；圖 2右上），被很多網(wǎng)友們認(rèn)為是首批科學(xué)圖像中最美的一張，筆者把它作為了自己電腦的桌面壁紙。2023 年 7 月，為了紀(jì)念科學(xué)運(yùn)行一周年，韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)布了一張令人震撼的星云圖像——蛇夫座星云（Rho Ophiuchi cloud，圖 3），這個(gè)圖片像一幅印象派的畫(huà)作，被《自然》雜志評(píng)選為 2023 年度十大科學(xué)圖像之一。韋布望遠(yuǎn)鏡就像太空中的莫奈，把宇宙的光影之美淋漓盡致地展現(xiàn)出來(lái)。

圖2.韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的第一批科學(xué)圖像。左上：兩個(gè)紅外波段的南環(huán)星云；右上：船底座星云的一角 (NGC 3324)；左下：斯蒂芬五重奏星系；右下：星系團(tuán) SMACS 0723。（圖片來(lái)自NASA, ESA, CSA, and STScI）

圖3.韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的蛇夫座星云的一角。每個(gè)恒星耀眼的六角星芒是由于韋布望遠(yuǎn)鏡的主鏡和副鏡的構(gòu)造導(dǎo)致。（圖片來(lái)自NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI)）

02 瑰麗絕倫的星云：恒星誕生的搖籃

韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的船底座星云和蛇夫座星云都是恒星形成區(qū)——也就是恒星誕生的地方，觀測(cè)這些天區(qū)是韋布望遠(yuǎn)鏡的核心科學(xué)目標(biāo)之一，有望為我們揭示恒星誕生的奧秘。其中蛇夫座星云是距離我們最近的恒星形成區(qū)，大約390 光年。天文學(xué)家們認(rèn)為，一塊巨大分子云會(huì)坍縮成幾千顆甚至上百萬(wàn)顆恒星，這些分子云就是恒星形成區(qū)域，它們主要由大約70%的氫，28%的氦，以及少量的其它元素。 分子云典型的尺度在幾十光年到幾百光年，質(zhì)量是幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量，溫度非常低，大約零下 250 攝氏度。這些分子云并不是一個(gè)均勻的整體，內(nèi)部有很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。分子云的塌縮需要引力不穩(wěn)定性，和湍流、轉(zhuǎn)動(dòng)和磁場(chǎng)的作用一起，決定了分子云團(tuán)塊的空間和質(zhì)量分布，這些團(tuán)塊就是恒星和星團(tuán)形成的區(qū)域。很多的分子云團(tuán)塊或者子團(tuán)塊會(huì)一起塌縮，所以恒星都是成群誕生的，就像一個(gè)大家庭的兄弟姐妹，隨著時(shí)間的流逝散落在各地。天文學(xué)家們估計(jì)我們的太陽(yáng)大約有幾千個(gè)兄弟姐妹。

分子云團(tuán)塊的塌縮使得中心溫度逐漸升高，形成一個(gè)稱為原恒星（protostar）的物體。這個(gè)原恒星還沒(méi)有開(kāi)始核聚變，因?yàn)楹诵臏囟冗€不足以維持核反應(yīng)。原恒星會(huì)依靠引力吸積周圍的氣體，形成吸積盤(pán)（見(jiàn)圖 4）。隨著原恒星質(zhì)量的不斷增加，內(nèi)部的溫度和壓強(qiáng)逐漸升高，最終達(dá)到足以啟動(dòng)核聚變的程度，成為一顆恒星。質(zhì)量越大，這一過(guò)程的時(shí)間需要的時(shí)間越短。對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)量的恒星而言，大約需要 5 千萬(wàn)年，相比于太陽(yáng) 100 億年的壽命，這是一個(gè)非常短暫的嬰兒時(shí)期。在原恒星吸積結(jié)束或者即將結(jié)束的時(shí)候，吸積盤(pán)上殘余的氣體和塵埃會(huì)碰撞聚集，形成核，吸積周圍的氣體和塵埃，最終形成了圍繞恒星的行星。

圖4. 二十個(gè)不同的原恒星和它的吸積盤(pán)。（圖片來(lái)自ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello）

數(shù)十年來(lái)，天文學(xué)家們逐漸理解了星際間彌漫的氣體星云是如何塌縮成一顆顆的恒星及其周圍行星的大概過(guò)程，卻還有很多不清楚的細(xì)節(jié)，也有很多尚未解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題的答案可能會(huì)為我們揭示太陽(yáng)系起源甚至是生命的起源。因此韋布望遠(yuǎn)鏡把觀測(cè)恒星形成過(guò)程做為核心科學(xué)目標(biāo)之一。

03 絢麗多“彩”的恒星搖籃，到底是怎么拍出來(lái)的

恒星形成區(qū)中充滿了塵埃，這些塵埃遮擋了光線（想像一下霧霾天氣），使得我們無(wú)法看清恒星形成區(qū)內(nèi)部的細(xì)節(jié)以及誕生中的恒星。而紅外光線可以穿透這些塵埃，這正是韋布望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段。因此相比于哈勃望遠(yuǎn)鏡，韋布望遠(yuǎn)鏡除了細(xì)節(jié)更加清晰（分辨率高）還能夠看得更通透（看到被塵埃遮擋的天體）。圖5 左邊是哈勃拍攝的著名的“創(chuàng)世之柱”（ Pillars of Creation，天鷹星云一小部分），這些像噴涌而出的暗褐色柱狀物就是塵埃，右圖是韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的同樣區(qū)域?？梢钥吹巾f布的照片明顯更加通透，在哈勃照片中很多被塵埃遮擋的區(qū)域和恒星都顯現(xiàn)出來(lái)。

圖5.哈勃（左）和韋布（右）望遠(yuǎn)鏡拍攝的天鷹星云（Eagle Nebula）的一部分。（圖片來(lái)自NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI).）

我們?nèi)搜凼强床坏郊t外光線的，那么我們?yōu)槭裁茨芸吹巾f布拍攝的這么多絢麗多彩的照片呢？其實(shí)，我們平時(shí)看到的各種顏色都可以用幾種基本顏色來(lái)合成，比如各種顯示設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)使用紅、綠、藍(lán)三原色來(lái)合成其他顏色；打印機(jī)使用青、紅、黃來(lái)合成各種彩色圖片。天文觀測(cè)中的顏色實(shí)際上對(duì)應(yīng)于一個(gè)非常窄的波段，用一個(gè)波段觀測(cè)就能看到一個(gè)顏色，比如你用一個(gè)紅色的鏡片就能看到一個(gè)紅色的世界，相當(dāng)于只有紅光通過(guò)了鏡片，這種鏡片在天文上叫做濾波片。

對(duì)于韋布觀測(cè)的蛇夫座星云（圖 3）來(lái)說(shuō)，它是使用近紅外相機(jī)拍攝的，總共使用了五種濾波片分別拍攝，然后給每一張拍攝圖片指定一個(gè)人眼可見(jiàn)的顏色，最后合成了我們看到的絢麗多“彩”的星云，其中：

濾波片 F187N（中心波長(zhǎng)1.874 微米）指定為藍(lán)色

濾波片 F200W（1.990微米）為淺藍(lán)色

濾波片 F335W（3.365微米）為青色

濾波片 F444W（4.421微米）為黃色

濾波片 F470N（4.707微米）為紅色

濾波片的波長(zhǎng)依次增加，指定顏色的波長(zhǎng)也依次增加。

圖3 的拍攝的蛇夫座星云區(qū)域大約有50顆剛剛誕生的恒星，大部分和我們的太陽(yáng)大小相仿。我們的太陽(yáng)系在 45 億年前也可能誕生于這樣的一個(gè)星云之中。左下像石鐘乳溶洞一樣結(jié)構(gòu)中心有一顆明亮的恒星，這是這個(gè)區(qū)域唯一一顆比太陽(yáng)大很多的恒星，這顆年輕的恒星抑制不住內(nèi)心的狂熱，釋放著熾烈的光和星風(fēng)，像一把把刻刀，正在雕刻星云的壁（塵埃），慢慢地侵蝕它，形成了我們看到的樣子。 這個(gè)空洞還彌漫著淡淡的青色霧紗一樣的氣體——多環(huán)芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs），這是一類碳?xì)溆袡C(jī)化合物，在星際介質(zhì)中非常普遍，它的輻射特征就在 3.3 微米附近。右上紅色像石筍一樣的結(jié)構(gòu)是一顆剛剛誕生的恒星沖破了外面的包層，產(chǎn)生了相反兩個(gè)方向的噴流，就像一個(gè)新生的嬰兒第一次伸展雙臂。紅色是來(lái)自分子氫的輻射，因?yàn)樗?4.693 微米附近有輻射特征。中心區(qū)域有一個(gè)近似三角形的暗區(qū)，說(shuō)明了厚重的塵埃連紅外光線都遮擋了。

浩瀚無(wú)垠的宇宙，不僅因其瑰麗燦爛而讓渺小的我們大飽眼福，還因其暗藏玄機(jī)而讓探索的我們獲得真知。不斷探索宇宙，就是探索自我，時(shí)刻敬畏宇宙，就是敬畏自我！

參考資料：

https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html

https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb

https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128

作者：閆震 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員

出品：科普中國(guó)

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