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撥雲散霧，超強韋伯太空望遠鏡，揭開恆星源起之謎
在絢爛如畫的獵戶星雲中，一個恆星的搖籃孕育著數不勝數的新恆星，它將成為計劃於2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的研究對象。由恆星形成領域的韋伯跨學科科學家馬克·麥考琳帶領的一支研究團隊將對星雲內部的獵戶四邊形星團進行觀測與考察。這個星團僅有4光年大，相當於太陽到半人馬座阿爾法星的距離，卻聚集了大約1000顆年輕恆星。
圖解：獵戶四邊形星團的光學影像（左）和紅外影像（右），由哈勃太空望遠鏡拍攝圖源：NASA
同時擔任歐洲航天局科學與探索高級顧問的馬克·麥考琳解釋道：「在那裡有許多大約100萬年的年輕恆星，一百萬年聽似不年輕，事實上，如果把我們所在的太陽系比做一個中年人，那麼這個星團中的恆星就只是三四天大的小嬰兒。因此，我們可以在年輕的恆星上看到各種各樣正在發生的有趣事情，這是如今在年老的恆星中看不到的。而最初階段的恆星及其行星系統如何發展，我們對其充滿好奇，極力尋求答案。」
為什麼選擇獵戶星雲？麥考琳說，獵戶星座是距太陽最近的大規模恆星形成區域，雖然許多地方，距離太陽更近，孕育著年輕且低質量的恆星，但沒有一個地方像獵戶星雲一樣既有大恆星又有非常小的恆星。
圖解：獵戶座大星雲可見部分
麥考琳和他的研究團隊將會研究獵戶四邊形星團中的三個有趣現象。首先，探究該星團中年輕恆星的質量分布。接下來，查究星團中的年輕恆星周圍行星形成的最早階段。最後，分析許多年輕恆星釋放出的噴射流物質。這些觀測是準予韋伯跨學科科學家麥考琳「保證時間觀測」計劃中的一部分。
圖解：這是哈勃太空望遠鏡拍攝到的獵戶星雲中年輕恆星的四個原行星盤。這些圓盤的大小是我們太陽系直徑的2到8倍。天文學家在1994年1月至1995年3月用哈勃望遠鏡拍攝的獵戶星雲的大型調查圖像中發現了這些氣盤。
對恆星和其它年輕天體進行分類
除了研究該星團的年輕恆星外，科學家還將關注質量低於恆星的褐矮星，這些褐矮星像恆星一樣，通過氣體和塵埃雲的引力塌縮而形成，但由於缺乏足夠的物質，其中央永遠無法達到產生氫聚變所需的溫度和壓力。
同時，他們還將研究質量與木星甚至土星相當的較小天體，這些天體不在恆星周圍的軌道上，被稱為「自由漂浮的行星質量天體」。而它們是否像其他行星一樣，通過恆星形成時遺留下來的原行星盤中吸收的氣體和塵埃形成，還是一個懸而未決的問題。
這樣的天體起初是作為環繞恆星的行星形成，還是本身由恆星形成的相同氣體和塵埃形成呢？麥考琳和他的團隊正在試圖回答這個問題。「我們想，能否通過探析這些極低質量天體所表現出來的特徵，來幫助我們弄清它們是孤立形成的，還是實際上是環繞恆星周圍軌道形成的行星，並在某種相互作用中被踢出軌道了。」
科學家將利用多色韋伯圖像來尋找質量非常低的天體，分辨有多少不同質量類別的天體，例如：有多少與太陽質量相同？有多少是太陽質量的十分之一？有多少是太陽質量的百分之一？此外他們還會用韋伯望遠鏡來分析它們的大氣層。通過這些信息，研究人員得以了解這些天體是如何形成的，以及隨著年齡增長他們會如何演化。
研究剪影
這個託兒所裡的一些新生恆星被由氣體和塵埃組成的圓盤環繞著，在明亮的獵戶星雲映襯下，這些圓盤以剪影的方式呈現出來。天文學家認為，行星一開始應該是在這些圓盤中形成。研究團隊將使用韋伯的高解析度紅外成像來測量這些圓盤的大小。通過與哈勃太空望遠鏡拍攝的可見光圖像對比，研究團隊能夠了解到塵埃的成分，這將有助於他們了解行星形成的最早階段。
考察噴射流
當年輕的恆星從周圍的氣體和塵埃中聚集物質時，大多還會以噴射流的方式從極地區域噴射出一部分物質，這個過程是恆星形成不可或缺的一部分。由於獵戶星雲是眾多年輕恆星的家園，所以這裡有許多大大小小的噴射流存在。研究團隊將使用韋伯測量出這些噴射流的精密結構並確定它們的速度，同時評估它們對周圍恆星形成雲的累積反饋。
圖源：NASA
為什麼選擇韋伯太空望遠鏡？
當恆星還很年輕時，它們被其原構成物即氣體和塵埃所包圍。塵埃吸收可見波長光將恆星隱藏在不透明的屏障後面。但長波長光可以穿透這塵埃，因此天文學家即使無法在可見光中看到恆星，通常也可以通過紅外線探測到它們。
同時，當天體還年輕處於形成階段時，它們不會變得特別熱，這意味著它們不會在可見波段發出明亮的光，而是在紅外線中散發大部分光。利用地面望遠鏡進行的紅外研究表明，獵戶四邊形星團中存在許多褐矮星，但質量低於三倍木星的年輕天體尚未發現，這有兩個原因。
圖源：wiki
第一，地面與被研究天體之間的地球大氣層在紅外線中發出明亮的光。麥考琳解釋說「從某種程度上，這有點像在白天進行可見波長的天文學觀測，你可以依靠光看到相對明亮的東西，但你無法看到非常微弱的東西。而韋伯望遠鏡將會發射在地球發光的大氣層上方，使這些研究得以進行。」
第二，與地面望遠鏡不同，韋伯望太空遠鏡自身溫度非常低。麥考琳說：「人類自身溫暖，會在紅外線中發光，地面望遠鏡同樣也會在紅外線中發光。因此，這些質量為三倍木星的寒冷天體，幾乎所有的光都會以相當長的波長發出，此時，望遠鏡本身會發出異常明亮的光。而在太空中，望遠鏡可以冷卻到在這些波長下完全不發光的程度。這意味著突然之間你可以看到你從地面永遠無法看到的新的、非常微弱且質量極低的年輕天體。
韋伯太空望遠鏡是一臺強大的紅外線太空望遠鏡，具備獨一無二的功能，能夠用來研究獵戶星雲等類似區域上的年輕恆星、褐矮星、自由漂浮的行星質量天體以及它們的原行星盤和噴射流。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，成為世界上首屈一指的空間科學天文臺，幫助人類揭開太陽系的奧秘，放眼於其它恆星的遙遠世界，探索宇宙的神秘結構和起源以及我們在宇宙中的位置。韋伯是由美國國家航空航天局及其合作夥伴歐洲航天局和加拿大航空航天局領頭的一個國際項目。
作者:Ann Jenkins
FY:徐戈
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