去几百光年外的宇宙“看展”？这台天文望远镜绘出恒星“摇篮”的画卷

谁有这么大本领，能带我们看到这样的“艺术展”？它就是大名鼎鼎的“詹姆斯·韦布空间望远镜”。

01 哈勃继任者：詹姆斯·韦布空间望远镜

詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST ，以下简称韦布望远镜）是由美国宇航局（NASA）、欧洲太空局（ESA）和加拿大太空局（CSA）合作完成。作为哈勃空间望远镜的继任者，它是目前世界上最复杂且最昂贵的天文望远镜；搭载了四个科学仪器：近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪（FGS/NIRISS）。从这些仪器的名字就可以看出，和哈勃望远镜不同，韦布望远镜主要观测红外波段 （见图 1），波长大于人眼看到的可见光波段。它的主要任务包括寻找宇宙大爆炸之后形成的第一代星系，研究星系的演化，观测恒星和行星系统的诞生过程，以及测量太阳系行星和系外行星的化学成分，探究它们存在生命的可能性。

图 1. 哈勃和韦布空间望远镜观测波段（图片来源：webb space telescope media kit/NASA）

韦布望远镜强大的主镜（6.5 米口径）能够提供前所未有的分辨率和灵敏度，人们期待着它为我们呈现更清晰和壮美的宇宙图景。 2022 年 7 月，韦布望远镜的首批科学图像发布，其中包括了一个弥漫着气体和尘埃的星云——船底座星云（Carina Nebula；图 2右上），被很多网友们认为是首批科学图像中最美的一张，笔者把它作为了自己电脑的桌面壁纸。2023 年 7 月，为了纪念科学运行一周年，韦布望远镜发布了一张令人震撼的星云图像——蛇夫座星云（Rho Ophiuchi cloud，图 3），这个图片像一幅印象派的画作，被《自然》杂志评选为 2023 年度十大科学图像之一。韦布望远镜就像太空中的莫奈，把宇宙的光影之美淋漓尽致地展现出来。

图2.韦布望远镜发布的第一批科学图像。左上：两个红外波段的南环星云；右上：船底座星云的一角 (NGC 3324)；左下：斯蒂芬五重奏星系；右下：星系团 SMACS 0723。（图片来自NASA, ESA, CSA, and STScI）

图3.韦布望远镜拍摄的蛇夫座星云的一角。每个恒星耀眼的六角星芒是由于韦布望远镜的主镜和副镜的构造导致。（图片来自NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI)）

02 瑰丽绝伦的星云：恒星诞生的摇篮

韦布望远镜拍摄的船底座星云和蛇夫座星云都是恒星形成区——也就是恒星诞生的地方，观测这些天区是韦布望远镜的核心科学目标之一，有望为我们揭示恒星诞生的奥秘。其中蛇夫座星云是距离我们最近的恒星形成区，大约390 光年。天文学家们认为，一块巨大分子云会坍缩成几千颗甚至上百万颗恒星，这些分子云就是恒星形成区域，它们主要由大约70%的氢，28%的氦，以及少量的其它元素。 分子云典型的尺度在几十光年到几百光年，质量是几万到几百万太阳质量，温度非常低，大约零下 250 摄氏度。这些分子云并不是一个均匀的整体，内部有很多复杂的结构。分子云的塌缩需要引力不稳定性，和湍流、转动和磁场的作用一起，决定了分子云团块的空间和质量分布，这些团块就是恒星和星团形成的区域。很多的分子云团块或者子团块会一起塌缩，所以恒星都是成群诞生的，就像一个大家庭的兄弟姐妹，随着时间的流逝散落在各地。天文学家们估计我们的太阳大约有几千个兄弟姐妹。

分子云团块的塌缩使得中心温度逐渐升高，形成一个称为原恒星（protostar）的物体。这个原恒星还没有开始核聚变，因为核心温度还不足以维持核反应。原恒星会依靠引力吸积周围的气体，形成吸积盘（见图 4）。随着原恒星质量的不断增加，内部的温度和压强逐渐升高，最终达到足以启动核聚变的程度，成为一颗恒星。质量越大，这一过程的时间需要的时间越短。对于太阳质量的恒星而言，大约需要 5 千万年，相比于太阳 100 亿年的寿命，这是一个非常短暂的婴儿时期。在原恒星吸积结束或者即将结束的时候，吸积盘上残余的气体和尘埃会碰撞聚集，形成核，吸积周围的气体和尘埃，最终形成了围绕恒星的行星。

图4. 二十个不同的原恒星和它的吸积盘。（图片来自ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello）

数十年来，天文学家们逐渐理解了星际间弥漫的气体星云是如何塌缩成一颗颗的恒星及其周围行星的大概过程，却还有很多不清楚的细节，也有很多尚未解决的问题。这些问题的答案可能会为我们揭示太阳系起源甚至是生命的起源。因此韦布望远镜把观测恒星形成过程做为核心科学目标之一。

03绚丽多“彩”的恒星摇篮，到底是怎么拍出来的

恒星形成区中充满了尘埃，这些尘埃遮挡了光线（想像一下雾霾天气），使得我们无法看清恒星形成区内部的细节以及诞生中的恒星。而红外光线可以穿透这些尘埃，这正是韦布望远镜的观测波段。因此相比于哈勃望远镜，韦布望远镜除了细节更加清晰（分辨率高）还能够看得更通透（看到被尘埃遮挡的天体）。图5 左边是哈勃拍摄的著名的“创世之柱”（ Pillars of Creation，天鹰星云一小部分），这些像喷涌而出的暗褐色柱状物就是尘埃，右图是韦布望远镜拍摄的同样区域。可以看到韦布的照片明显更加通透，在哈勃照片中很多被尘埃遮挡的区域和恒星都显现出来。

图5.哈勃（左）和韦布（右）望远镜拍摄的天鹰星云（Eagle Nebula）的一部分。（图片来自NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI).）

我们人眼是看不到红外光线的，那么我们为什么能看到韦布拍摄的这么多绚丽多彩的照片呢？其实，我们平时看到的各种颜色都可以用几种基本颜色来合成，比如各种显示设备和数码相机使用红、绿、蓝三原色来合成其他颜色；打印机使用青、红、黄来合成各种彩色图片。天文观测中的颜色实际上对应于一个非常窄的波段，用一个波段观测就能看到一个颜色，比如你用一个红色的镜片就能看到一个红色的世界，相当于只有红光通过了镜片，这种镜片在天文上叫做滤波片。

对于韦布观测的蛇夫座星云（图 3）来说，它是使用近红外相机拍摄的，总共使用了五种滤波片分别拍摄，然后给每一张拍摄图片指定一个人眼可见的颜色，最后合成了我们看到的绚丽多“彩”的星云，其中：

滤波片 F187N（中心波长1.874 微米）指定为蓝色

滤波片 F200W（1.990微米）为浅蓝色

滤波片 F335W（3.365微米）为青色

滤波片 F444W（4.421微米）为黄色

滤波片 F470N（4.707微米）为红色

滤波片的波长依次增加，指定颜色的波长也依次增加。

图3 的拍摄的蛇夫座星云区域大约有50颗刚刚诞生的恒星，大部分和我们的太阳大小相仿。我们的太阳系在 45 亿年前也可能诞生于这样的一个星云之中。左下像石钟乳溶洞一样结构中心有一颗明亮的恒星，这是这个区域唯一一颗比太阳大很多的恒星，这颗年轻的恒星抑制不住内心的狂热，释放着炽烈的光和星风，像一把把刻刀，正在雕刻星云的壁（尘埃），慢慢地侵蚀它，形成了我们看到的样子。 这个空洞还弥漫着淡淡的青色雾纱一样的气体——多环芳香烃（polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs），这是一类碳氢有机化合物，在星际介质中非常普遍，它的辐射特征就在 3.3 微米附近。右上红色像石笋一样的结构是一颗刚刚诞生的恒星冲破了外面的包层，产生了相反两个方向的喷流，就像一个新生的婴儿第一次伸展双臂。红色是来自分子氢的辐射，因为它在 4.693 微米附近有辐射特征。中心区域有一个近似三角形的暗区，说明了厚重的尘埃连红外光线都遮挡了。

浩瀚无垠的宇宙，不仅因其瑰丽灿烂而让渺小的我们大饱眼福，还因其暗藏玄机而让探索的我们获得真知。不断探索宇宙，就是探索自我，时刻敬畏宇宙，就是敬畏自我！

参考资料：

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：闫震 中国科学院上海天文台 研究员

出品：科普中国

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