研究人员前所未有地绘制猎户座星云图

拓破天峙

从猎户座星云的中心附近看，这张JWST的照片捕捉到了猎户座。猎户座条是一个相当直的对角线特征，标志着从斜方星附近的热电离气体到条另一侧的冷分子云的转变。这些物质是形成这些恒星的云层的残留物。这些年轻的热恒星的恒星辐射撞击猎户座，将气体和尘埃转化为更远的气体和尘埃。该图像是RGB合成图像，蓝色显示来自热电离气体的发射（NIRCam过滤器F187N），红色显示来自大碳质分子的发射（NIRCam过滤器F335M），绿色跟踪暖尘和分子气体（NIRCam过滤器F470N）。北边在上面，东边在左边。来源：NASA/ESA/CSA、E.Dartois、E.Habart、PDRs4所有ERS团队

据西安大略大学（Jeff Renaud）：恒星和行星的形成是一件混乱的事情。它始于一团巨大的气体和尘埃的引力坍缩，同时产生大质量恒星，其强烈的辐射场创造了恶劣的环境，以及更温和的恒星，如我们的太阳，被富含有机物质的行星形成盘包围。

西方大学天体物理学家Els Peeters和Jan Cami以及博士后和研究生Ryan Chown、Ameek Sidhu、Baria Khan、Sofia Pasquini和Bethany Schefter是世界上最早使用James Webb太空望远镜进行科学研究的科学家之一，重点是恒星形成。

PDRs4All JWST早期释放科学项目（ID1288）的首席研究员、西部地球与太空探索研究所的教员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。”。

恒星形成在理论和观测天体物理学中都是一个非常活跃的领域，韦布是深入了解这些过程的关键。

“我们还不完全了解这些过程是如何塑造或摧毁行星形成盘的，也不完全了解何时以及如何在这些盘中植入对生命至关重要的化学物质。这就是我们为什么要这样做的原因，”西部休姆-克罗宁纪念天文台主任、PDRs4All的核心成员卡米说。

Peeters与法国巴黎萨克雷大学的Emilie Habart和法国图卢兹大学的Olivier Berné共同领导国际PDRs4All财团。PDRs4All联盟由全球120多名研究人员组成，其中包括天文学家、物理学家和化学家，他们的互补专业知识使他们能够充分利用韦布望远镜获得的数据金矿，韦布望远镜是有史以来发射到太空的最大、最强大的望远镜。

PDRs4All将韦布指向著名的猎户座星云深处的猎户座酒吧，并收集了大量图像和光谱数据。该项目的主要目标是揭示与恒星和行星形成相关的详细物理和化学过程。

Peeters和Cami与他们的国际合作者一起，现在在《天文学与天体物理学》杂志上发表了一系列六篇论文，概述了他们迄今为止的工作，并首次深入了解猎户座酒吧的细节。

这是我最好的一面吗？

星际空间中的许多关键过程发生在所谓的光离解区（PDRs，因此程序名为PDRs4All），在那里，物理和化学完全由紫外线辐射与气体和尘埃之间的相互作用决定。Orion Bar是距离Webb最近的PDR，它提供了在小物理尺度上研究这些过程最有用和最上镜的一面。

Peeters说：“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。”。“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。”

在过去的一年里，PDRs4All在《自然》、《自然天文学》和《科学》杂志上发表了三项主要研究。

Habart领导了今天（5月14日）发表在《天文学与天体物理学》上的第一项新研究，他说：“我非常高兴能非常详细地研究韦布的惊人图像。”。“这些图像非常美丽和复杂；很容易理解为什么世界上有这么多人第一次看到它们时就被震撼了。”

猎户座星云的质量是太阳的2000倍，肉眼可见，是最近的大质量恒星形成区，因此是银河系中最受关注和拍摄的天体之一，也是公众最喜欢的夜空天体之一。

韦布的图像与其他任何一组图像都不同，它们揭示的令人难以置信的细节令人惊叹，显示了各种不同形状和颜色的细丝和山脊，上面点缀着几个小的行星形成盘。

猎户座星云内有猎户座棒，这是一个尖锐的、倾斜的、脊状的气体和尘埃特征。猎户座酒吧本质上是一个天文大气泡的边缘，这个气泡是由一些为星云提供动力的大质量恒星雕刻而成的。

“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。

Habart说：“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。”。

Peeters也是新一系列天文学和天体物理学研究的主要参与者，他利用猎户座酒吧的近红外光谱数据将研究提升到了一个全新的水平。

她说：“这些照片有着令人难以置信的细节，我们将在未来的许多年里仔细检查它们。”。

光谱观察将光分解为颜色的函数，并揭示了许多尖锐的峰，这些峰是收集到的红外光中各种化合物的指纹。

通过对这些指纹的仔细分析，研究人员可以研究星云的化学组成，但还有更多：这些指纹的不同组合可以用来测量辐射场的局部温度、密度和强度，通过测量每个像素的这些指纹，Peeters绘制了这些数量在整个猎户座酒吧中如何变化的地图。

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，一个光谱胜过一千张图像。”他测量了不少于600个光谱指纹，并利用这些指纹极大地改进了现有的PDR模型。

所得数据和改进的PDR模型在Peeters领导的《天文学与天体物理学》的第二项研究中介绍。

卡米说：“猎户座酒吧真正独特的地方在于它的边缘几何结构，这给了我们一个环形的座位，让我们可以非常详细地研究当我们从非常暴露、剧烈的电离区域进入更屏蔽的区域时发生的不同物理和化学过程，在这些区域可以形成分子气体。”。

“这篇论文是一篇力之旅，花了巨大的努力才完成，它是我们对物理环境变化如何影响化学以及反之亦然的理解的一次飞跃。”

将细节抛诸脑后

随着物理条件的确定，PDRs4All团队将注意力转向了另一个问题：灰尘排放。之前的观测已经揭示了猎户座酒吧尘埃排放的急剧变化，但这些变化的起源尚不清楚，这是一个长期困扰天体物理学家的谜团。

太空物理空间研究所博士后研究员Meriem Elyajori说：“与之前的观测相比，清晰的超光谱Webb数据包含了更多的信息，它清楚地指出，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。”。

Elyajouri模拟了猎户座酒吧照明边缘的灰尘排放，并领导了第三项研究，描述了该团队的发现。

剩下的三篇论文都涉及被称为多环芳烃的大含碳分子的排放，多环芳烃是宇宙中最大的碳质物质库之一。多环芳烃含有高达20%的宇宙碳，这使它们与我们自己的宇宙根源有关。

卡米说：“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。”。

多环芳烃的排放通常非常明亮，多环芳烃分子非常坚固和有弹性。

前西方博士后研究员Sidhu说：“因此，它们在宇宙中广泛分布，并分布在如此遥远的宇宙学距离上，这并不奇怪。因此，在猎户座酒吧等附近地区对它们进行详细研究，我们对当地的物理和化学环境有着很好的了解，这对于解释对遥远星系的观测至关重要。”。

韦布数据非常详细地显示了多环芳烃的发射带，并揭示了发射特性因辐射而变化。

“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。”

事实上，紫外线辐射会分解一些较小的碳分子，并改变较大的碳分子的辐射方式。

领导第四项研究的前西方博士后研究员Ryan Chown说：“当你从这种非常恶劣的环境进入更为屏蔽的环境时，你实际上会看到变化。”。

机器学习成倍增长

Chown的研究结果是重要的新发现，但仅基于对猎户座酒吧中五个小区域的分析，这些区域代表了整个酒吧的不同环境。

Peeters监督的硕士生Sofia Pasquini使用机器学习技术分析了由数千个光谱组成的整个数据集中的多环芳烃排放。她还发现，在紫外线辐射较多的地区，多环芳烃通常较大，可能是因为较小的多环芳烃被破坏了。这是第五次研究的基础。

Peeters说：“Sofia用于解释从数千个像素中挖掘的数据的机器学习技术产生的结果与我们使用更传统的方法在五个代表性区域中发现的结果基本相同。”。“这让我们非常有信心，我们的解释更普遍有效，从而得出更有力的结论。”

事实证明，多环芳烃的大小不仅仅是变化。法国图卢兹大学的博士后研究员Ilane Schroetter也将机器学习技术应用于数据。他的发现发表在第六项研究中，证实了紫外线辐射对多环芳烃大小的影响，但也发现了分子结构的明显变化。

卡米说：“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。”。

韦布是人类历史上最强大的太空望远镜。它是与美国国家航空航天局、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作开发的，拥有一个标志性的6.5米宽的镜子，由18个六边形镀金镜段组成的蜂窝状图案和一个网球场大小的五层菱形遮阳板组成。

作为合作伙伴，CSA获得了韦布观测时间的保证份额，使加拿大科学家成为首批研究有史以来最先进的太空望远镜收集数据的科学家之一。