詹姆斯·韦伯望远镜将从太空尘埃中揭示宇宙的巨大秘密

2022年07月12日 08:26 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

美国宇航局(NASA)的詹姆斯·韦伯太空望远镜正在准备为遥远的世界和遥远的星系提供令人难以置信的新图像,但这个新的红外太空观测站也将让我们前所未有地看到我们宇宙的一个微小组成部分:太空尘埃。有一类尘埃可以为一些大的过程提供新的线索,例如恒星和星系的形成和演变。

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从技术上讲,这些尘埃颗粒中最微小的是多环芳烃(简称PAHs),它们是太空中最丰富的分子类型之一。它们包括一整个家族的大分子,其结构就像铁丝网一样--由不同模式的六边形组成的格子状结构。

在20世纪80年代首次被发现后,天文学家几乎在他们的望远镜指向的所有地方都发现了PAHs:在一些最早的星系中,在恒星形成的气体云中,以及在离家较近的地方,在土星的卫星泰坦的大气中。

在过去,天文学家受到空间尘埃的阻碍,因为望远镜无法看穿遍布星系的黑暗、巨大的尘埃云。随着红外天文学的出现,望远镜能够“看穿”这些遮蔽的云层,科学家们发现空间尘埃实际上是恒星和行星形成的一个重要部分。现在,韦伯准备成为揭开其秘密的“游戏规则的改变者”。

多环芳烃领域的先驱之一、位于加州硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心的研究员Louis Allamandola说:“韦伯的能力使以前的红外望远镜相形见绌,将彻底改变天文学。”

韦伯的尘埃数据中将出现前所未有的细节

当美国宇航局的斯皮策望远镜在2003年发射时,凭借其新一代的红外技术,多环芳烃研究开始了。

“现在,韦伯将带来极好的空间和光谱分辨率,”艾姆斯研究中心的天文学家和一个项目的联合首席研究员Christiaan Boersma说,该项目将利用韦伯来研究太空中的PAHs。“我们将能够看到细节--更好的细节--在比以前更小的尺度上。这将揭示PAHs如何在非常不同的天文环境中形成和演变。而这将使我们能够解开驱动恒星形成结构的光物理学和化学,并解释我们观察到的从系外行星和恒星到星系的显著多样性。”

Boersma对韦伯将提供的详细光谱感到兴奋。这些就像光的“指纹”。当尘埃分子被太阳或其他恒星的光线加热时,它们会发出红外光来冷却。光的模式,或光谱,可以帮助识别光所来自的不同类型的多环芳烃分子--如果我们能够足够好地捕捉它的话。

利用分辨率较低的红外望远镜技术,天文学家已经探测到了广泛的多环芳烃群体或家族。破译单一类型多环芳烃的光谱是可能的,但这是一项艰苦的工作,需要望远镜观测、实验室工作和先进计算的协同作用,而这正是艾姆斯研究中心实验室天体物理学小组的基础。这个领域在艾姆斯研究中心达到了成熟,使科学家们能够在实验室中重现星际空间中多环芳烃的形成条件,并测量由此产生的分子的光谱指纹。

到目前为止,通过在实验室研究分子,他们已经确定了大约100种不同多环芳烃的“光指纹”,并在计算机的帮助下确定了另外4000种。有了所有这些数据,天文学家将已知的光谱与天空中观察到的PAH群体相匹配。

这是一项巨大的工作,但研究人员期望强大的韦伯望远镜将带来一种全新的方法。

Boersma说:“我们的圣杯是能够直接从望远镜数据中识别和量化构成我们所看到的家族的特定PAH类型。我们比以往任何时候都更接近,这要归功于之前的基础工作。”

有了韦伯的分辨率,他们将能够找出更小的多环芳烃子集--由尺寸、形状和电荷等特征定义--对观察到的光谱有所贡献。为了分析和解释多环芳烃的观测结果,研究人员将求助于NASA科学家建立的一个研究数据库。NASA艾姆斯多环芳烃红外光谱数据库可供全球科学界免费使用,并提供数据库和复杂的工具。

“我们正在进入‘PAH研究2.0’的时代,”Allamandola说。“看光谱就像在听交响乐。韦伯将使我们第一次听到管弦乐队中所有不同种类的PAHs。这是一个巨大的进步。”

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