收錄于合集#韋布空間望遠(yuǎn)鏡41個(gè)

這張圖片由NASA詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)所拍攝，使用了兩種類型的紅外濾鏡（在這張圖片中，1.5微米的顏色為橙色，4.1微米的顏色為藍(lán)色），描繪了距我們630光年的暗分子云“蝘蜓座I”的中心區(qū)域。圖片左上方呈向外流動(dòng)狀的年輕的原恒星Ced 110 IRS 4（橙色）發(fā)出的紅外光照亮了圖片中心絮狀的低溫云物質(zhì)（藍(lán)色）。來自分子云背景中多顆恒星（橙色的點(diǎn)）的光，可用于探測(cè)分子云中的冰，這些冰吸收了穿過它們的恒星光。 圖片來源：NASA、ESA、CSA和ESA的M·扎馬尼（M. Zamani）

對(duì)于宜居星球而言，包含各種物質(zhì)的冰是一種重要的成分，因?yàn)樗菐追N關(guān)鍵元素的主要來源，包括碳、氫、氧、氮和硫（這里簡(jiǎn)稱為“CHONS”），這些元素不僅是行星大氣的重要組成部分，還構(gòu)成了與生命相關(guān)的糖和簡(jiǎn)單氨基酸等分子。

利用美國(guó)航空航天局（NASA）詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）近紅外相機(jī)（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）和中紅外儀器（MIRI）的數(shù)據(jù)，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)獲得了迄今為止在分子云（molecular cloud）中測(cè)量到的最深、最冷的冰的詳細(xì)信息。除了僅由水分子組成的簡(jiǎn)單的冰之外，研究團(tuán)隊(duì)還能夠識(shí)別各種分子的冰形式，從羰基硫、氨和甲烷，到結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的復(fù)雜有機(jī)分子甲醇。這是迄今為止對(duì)可用于形成未來幾代恒星和行星的冰成分所進(jìn)行的最全面的調(diào)查，這些冰在年輕恒星形成過程中會(huì)因溫度上升而消失。

荷蘭萊頓天文臺(tái)（Leiden Observatory）的天文學(xué)家梅利莎·麥克盧爾（Melissa McClure）說：“對(duì)于星際塵埃顆粒上的冰，我們的研究結(jié)果提供了它在形成之初的黑暗化學(xué)階段的信息，這些冰后續(xù)將長(zhǎng)成幾厘米大的卵石狀物質(zhì)，也就是原行星盤（protoplanetary disk）的起點(diǎn)?！泵防怯^測(cè)計(jì)劃的首席研究員，也是描述這一結(jié)果論文的主要作者，“這些觀察為構(gòu)成生命基石所需的簡(jiǎn)單和復(fù)雜分子的形成途徑打開了一扇新窗口?！?/p>

除了已識(shí)別的分子外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了比甲醇更復(fù)雜的分子存在的證據(jù)，盡管他們沒有明確地將這些信號(hào)歸因于某些特定分子，但這首次證明了復(fù)雜分子是在恒星誕生之前形成于分子云的冰冷深處的。

“對(duì)像甲醇和可能存在的乙醇這樣的復(fù)雜有機(jī)分子的鑒定也表明，在這片特定的分子云中誕生的許多恒星和行星系統(tǒng)將‘繼承’一些化學(xué)狀態(tài)相當(dāng)超前的分子?！眳⑴c研究的萊頓天文臺(tái)天文學(xué)家威爾·羅查（Will Rocha）補(bǔ)充說，“這可能意味著行星系統(tǒng)中生命起源前分子前體的存在，是恒星形成的一個(gè)常見結(jié)果，而并非我們太陽(yáng)系獨(dú)有的特征?！?/p>

天文學(xué)家獲得了迄今為止在分子云中測(cè)量到的最深、最冷的冰的詳細(xì)信息。使用背景恒星之一的NIR38的光，研究人員照亮了暗分子云“蝘蜓座I”。分子云中的冰吸收了特定波長(zhǎng)的紅外光，留下了被稱為吸收線的光譜指紋，代表著分子云中存在的特定物質(zhì)。這些圖表顯示了詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡三個(gè)儀器的光譜數(shù)據(jù)。除了像水分子這樣的冰，研究團(tuán)隊(duì)還識(shí)別出了各種分子的冷凍形式，從二氧化碳、氨和甲烷，到最簡(jiǎn)單的復(fù)雜有機(jī)分子甲醇。圖片來源：NASA、ESA、CSA和空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的J·奧姆斯特德（J. Olmsted）

通過檢測(cè)含硫的冰，也就是羰基硫，研究人員首次估算出了嵌入恒星形成前冰塵埃顆粒中的硫含量。雖然測(cè)得的量大于之前觀察到的量，但它仍然小于根據(jù)其密度預(yù)計(jì)存在于這一分子云中的總量，對(duì)于其他的CHONS元素也是如此。天文學(xué)家面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，找到這些元素所隱藏的位置：是在冰里，煤煙般的物質(zhì)里，還是在巖石中。每種物質(zhì)中的CHONS含量決定了這些元素中有多少最終進(jìn)入了系外行星大氣層，又有多少存在于行星內(nèi)部。

“事實(shí)上，我們沒有看到所預(yù)期的全部CHONS，這可能表明它們存在于我們無法測(cè)量的更多巖石狀或煤煙般的物質(zhì)中?！丙溈吮R爾解釋說，“這可以使類地行星的整體組成更加多樣化?！?/p>

分子云內(nèi)的冰分子會(huì)吸收來自分子云之外的恒星光，在韋布可觀測(cè)的特定紅外波長(zhǎng)下可以得到相應(yīng)的吸收光譜，將吸收光譜的特征曲線與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以確定分子云中存在哪些冰分子。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了暗分子云“蝘蜓座I”（Chamaeleon I）中一個(gè)觀測(cè)難度高、溫度極低的致密區(qū)域中的冰，“蝘蜓座I”是恒星形成區(qū) “蝘蜓座分子云”（Chamaeleon complex）中的一個(gè)分子云，距離地球大約630光年，目前正有數(shù)十顆年輕的恒星正在形成。這片分子云中冰的溫度約為10開爾文（-263攝氏度），被認(rèn)為是迄今為止測(cè)定到的最冷的冰。

“如果沒有韋布，我們根本不可能觀察到這些冰?！眳⑴c這項(xiàng)研究的美國(guó)巴爾的摩空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（Space Telescope Science Institute，STScI）韋布項(xiàng)目科學(xué)家克勞斯·蓬托皮丹（Klaus Pontoppidan）說道，“在背景恒星光連續(xù)統(tǒng)一的吸收譜中，這些冰呈現(xiàn)出了明顯的波谷。在如此低溫且致密的區(qū)域，來自背景恒星的大部分光線都被阻擋了，對(duì)于探測(cè)恒星光并由此識(shí)別出分子云中的冰來說，韋布的高靈敏度是必不可少的?！?/p>

這項(xiàng)研究是“冰期”（ Ice Age）計(jì)劃的一部分，“冰期”計(jì)劃則是韋布13個(gè)“早期發(fā)布科學(xué)”（ Early Release Science）計(jì)劃之一。這些計(jì)劃旨在展示韋布的觀測(cè)能力，同時(shí)讓天文學(xué)家們了解充分利用韋布各儀器的方式?！氨凇庇?jì)劃團(tuán)隊(duì)打算進(jìn)一步觀察，并希望追蹤冰從形成到組成冰彗星的過程。

“這只是我們將獲得的一系列光譜數(shù)據(jù)中的第一波，最終我們將了解冰是如何從最初的合成演化到原行星盤的彗星形成區(qū)域的?！丙溈吮R爾總結(jié)道，“這將告訴我們哪些冰的混合物，具體一點(diǎn)就是哪些元素，最終可以被送到類地系外行星的表面，或是融入到氣態(tài)巨行星或冰態(tài)巨行星的大氣層中?！?/p>

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于1月23日的《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡是世界上首屈一指的空間科學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它將解開太陽(yáng)系中的謎團(tuán)，超越其他恒星周圍的遙遠(yuǎn)世界，探索我們宇宙的神秘結(jié)構(gòu)和起源，以及地球在其中的位置。韋布是由NASA與合作伙伴歐洲航天局（European Space Agency，ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency，CSA）牽頭的一項(xiàng)國(guó)際計(jì)劃。

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動(dòng)和科普好物！