詹姆斯·韦伯太空望远镜以一种令人惊叹的新方式观察猎户座星云

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JWST拍摄的猎户座星云区域的三张图像显示了充满活力的新光线下的家族恒星形成区域（图片来源：NASA/ESA/CSA、E.Dartois、E.Habart、PDRs4All ERS团队）

据美国太空网（Robert Lea）：猎户座星云可能是一个熟悉的、经过充分研究的天体，但詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新图像显示，这个由气体和尘埃组成的恒星形成的云以一种令人难以置信的新的、充满活力的光照。

猎户座星云，也被称为“梅西耶42”（M42），位于距离地球约1500光年的猎户座。这使它成为离我们太阳系最近的大型恒星形成和恒星托儿所。

在黑暗的天空下肉眼可见的猎户座星云在整个人类历史上都被研究过，但JWST的图像以前所未有的细节展示了它。特别是，强大的太空望远镜放大了M42左下象限的气体和尘埃的对角线状山脊状特征，称为“猎户座酒吧”。

作为JWST的PDRs4All计划的一部分收集的图像不仅具有惊人的美丽，而且具有价值。这一数据宝库将使科学家能够深入研究恒星形成过程中经常出现的混乱状况。

“这些图像有着令人难以置信的细节，我们将在未来许多年对其进行仔细检查。这些数据令人难以置信，将成为未来几十年天体物理学研究的基准，”西部大学天体物理学家和PDRs4All原理研究员Els Peeters在一份声明中说。“到目前为止，我们只探索了一小部分数据，这已经导致了几个令人惊讶的重大发现。”

猎户座星云中的恒星诞生很混乱

当巨大的气体和尘埃云中的过密斑块在自身引力作用下坍塌时，恒星就会形成。这形成了一个“原恒星”，包裹在其形成过程中留下的气体和尘埃的茧中。

原恒星继续从其出生的外壳中收集物质，直到它们收集到足够的质量，从而在其核心引发氢与氦的核聚变。这一过程定义了一颗像太阳这样的主序星，它将在大约46亿年前经历这一过程。

然而，情况比最初听起来更复杂，因为这些过度密集的斑块并不都是相同的大小或质量，它们也不会同时坍塌。

Peeters说：“恒星形成的过程是混乱的，因为恒星形成区域包含处于不同发展阶段的不同质量的恒星，而这些恒星仍嵌入其出生云中，而且许多不同的物理和化学过程相互影响。”。



猎户座星云中心东北区域的JWST图像（图片来源：NASA/ESA/CSA、E.Dartois、E.Habart、PDRs4All ERS团队）

理解恒星之间的气体和尘埃或其他恒星形成的“星际介质”的最重要方面之一是光离解区或“PDRs”（PDRs4All中的PDR）的物理性质。PDR的化学和物理性质取决于年轻恒星的紫外线辐射如何与气体和尘埃相互作用。

在猎户座星云中，这种辐射轰击正在形成类似猎户座棒的结构，猎户座棒本质上是由一些为星云提供动力的大质量恒星雕刻而成的大气泡的边缘。

巴黎萨克雷大学的PDRs4All团队成员Emile Habart说：“赋予这些图像美感的结构细节揭示了一个比我们最初想象的更复杂的结构——前景和背景气体和灰尘使分析变得有点困难。”。“但这些图像的质量如此之高，我们可以很好地分离这些区域，并揭示猎户座酒吧的边缘非常陡峭，就像一堵巨大的墙，正如理论预测的那样。”



JWST在受到年轻恒星辐射的轰击时看到的猎户座酒吧（图片来源：NASA/ESA/CSA、E.Dartois、E.Habart、PDRs4All ERS团队）

JWST不仅使研究人员能够前所未有地看到猎户座棒的结构，而且来自猎户座棒上的光谱还使他们能够确定其化学成分在整个过程中的变化。这是可能的，因为化学元素吸收和发射特征波长的光，在穿过气体和灰尘的光谱上留下指纹。

这有助于揭示M42的大规模化学组成，使PDRs4All团队能够了解猎户座星云的温度、密度和辐射场强度是如何变化的。

在这项研究的过程中，在猎户座星云的光谱中检测到了600多个化学指纹，这可能会极大地改进PDR的模型。

Peeters说：“与图像相比，光谱数据集覆盖的天空面积要小得多，但它包含的信息要多得多。”。“一张照片胜过千言万语，但我们天文学家只是半开玩笑地说，一张光谱胜过一千张图像。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜让其他望远镜黯然失色

PDRs4All团队还解决了之前对猎户座星云观测中的一个长期问题，即猎户座棒中尘埃排放的急剧变化，其原因无法解释。这项调查表明，这种发射变化是大质量年轻恒星辐射对猎户座星棒火花破坏过程的结果。



JWST的图像捕捉到了猎户座星云的中心——斜方星团东北部的区域。（图片来源：NASA/ESA/CSA、E.Dartois、E.Habart、PDRs4All ERS团队）

团队成员、空间天体物理研究所博士后研究员Meriem El Yajouri说：“清晰的高光谱JWST数据包含的信息比以前的观测多得多，它清楚地表明，尘埃对辐射的衰减和对最小尘埃颗粒的有效破坏是这些变化的根本原因。”。

PDRs4All团队还能够梳理出猎户座星云排放物的细节，这些排放物来自被称为多环芳烃（PAHs）的大型含碳分子。这些恰好是宇宙中最大的碳基材料库之一，被认为占宇宙中碳的20%。

因为我们所知道的宇宙中唯一的生命是碳基的，对多环芳烃的研究与我们理解年轻恒星周围形成的行星上生命的存在有着巨大的关系。

卡米补充道：“早在碳进入我们的身体之前，我们就在研究碳质分子会发生什么。”。

PAH分子由于其坚固性和弹性而持久耐用。它们的发射是明亮的，JWST能够利用这些来确定，即使具有多环芳烃的韧性，来自年轻恒星的紫外线也可以改变这些发射。

“这真是一种财富的尴尬，”Peeters说。“尽管这些大分子被认为非常坚固，但我们发现紫外线辐射会改变导致发射的分子的整体性质。”

这表明紫外线辐射会分解较小的碳分子，而较大的分子的发射会发生变化。这些影响在猎户座星云的不同极端都可以看到，从屏蔽环境移动到更暴露的区域。

PDRs4All团队成员、西部大学研究员Jan Cami表示：“猎户座酒吧真正独特的地方在于它的边缘几何结构，它为我们提供了一个环形的座位，让我们可以非常详细地研究当我们从非常暴露、剧烈的电离区转移到更屏蔽的区域时发生的不同物理和化学过程。”。

使用机器学习评估多环芳烃表明，即使紫外线不能分解这些分子，也会导致它们的结构发生变化。

卡米总结道：“这些论文揭示了在太空最恶劣的环境中，分子水平上的某种适者生存。”。

该团队的研究发表在《天文学与天体物理学》杂志上的六篇论文中。