近年來，越來越多的人開始走「高雅過年」的路線，「春節看展」、「藝術過年」成為一股清流。例如在2023年春節期間，不少上海市民、遊客參觀了在上海博物館舉辦的「玉兔精靈」兔年迎春特別展覽。2024年春節的腳步越來越近了，預備看展的你可曾知道，在宇宙幾百光年外的遙遠空間，有一場壯美的星雲「藝術展」。

誰有這麼大本領，能帶我們看到這樣的「藝術展」？它就是大名鼎鼎的「詹姆斯‧韋布空間望遠鏡」。

01 哈伯繼任者：詹姆斯‧韋布空間望遠鏡

詹姆斯·韋布太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST ，以下簡稱韋布望遠鏡）是由美國太空總署（NASA）、歐洲太空局（ESA）和加拿大太空局（CSA）合作完成。作為哈伯空間望遠鏡的繼承者，它是目前世界上最複雜且最昂貴的天文望遠鏡；搭載了四個科學儀器：近紅外線相機（NIRCam）、近紅外線光譜儀（NIRSpec）、中紅外線儀器（MIRI） 、精細導引感測器/近紅外線成像儀和無縫隙光譜儀（FGS/NIRISS）。從這些儀器的名字就可以看出，和哈伯望遠鏡不同，韋布望遠鏡主要觀測紅外線波段（見圖1），波長大於人眼看到的可見光波段。它的主要任務包括尋找宇宙大爆炸之後形成的第一代星系，研究星系的演化，觀測恆星和行星系統的誕生過程，以及測量太陽系行星和系外行星的化學成分，探討它們存在生命的可能性。

圖1. 哈伯和韋布空間望遠鏡觀測波段（圖片來源：webb space telescope media kit/NASA）

韋布望遠鏡強大的主鏡（6.5 公尺口徑）能夠提供前所未有的解析度和靈敏度，人們期待著它為我們呈現更清晰和壯美的宇宙圖景。2022 年7 月，韋布望遠鏡的首批科學圖像發布，其中包括了一個瀰漫著氣體和塵埃的星雲——船底座星雲（Carina Nebula；圖2右上），被許多網友們認為是首批科學圖像中最美的一張，筆者把它當作了自己電腦的桌面桌布。2023 年7 月，為了紀念科學運行一周年，韋布望遠鏡發布了一張令人震撼的星雲圖像——蛇夫座星雲（Rho Ophiuchi cloud，圖3），這個圖片像一幅印象派的畫作，被《自然》雜誌評選為2023 年度十大科學圖像之一。韋布望遠鏡就像太空中的莫內，把宇宙的光影之美淋漓盡致地展現出來。

圖2.韋布望遠鏡發布的第一批​​科學影像。左上：兩個紅外線波段的南環星雲；右上：船底座星雲的一角(NGC 3324)；左下：史蒂芬五重奏星系；右下：星系團SMACS 0723。（圖片來自NASA, ESA, CSA, and STScI）

圖3.韋布望遠鏡拍攝的蛇夫座星雲的一角。每個恆星耀眼的六角星芒是由於韋布望遠鏡的主鏡和副鏡的構造導致。（圖片來自NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI), Alyssa Pagan (STScI)）

02 瑰麗絕倫的星雲：恆星誕生的搖籃

韋布望遠鏡拍攝的船底座星雲和蛇夫座星雲都是恆星形成區——也就是恆星誕生的地方，觀測這些天區是韋布望遠鏡的核心科學目標之一，有望為我們揭示恆星誕生的奧秘。其中蛇夫座星雲是距離我們最近的恆星形成區，大約390 光年。天文學家認為，一塊巨大分子雲會坍縮成數千顆甚至上百萬顆恆星，這些分子雲就是恆星形成區域，它們主要由大約70%的氫，28%的氦，以及少量的其它元素。分子雲典型的尺度在幾十光年到幾百光年，質量是數萬到數百萬太陽質量，溫度非常低，大約零下250 攝氏度。這些分子雲並不是一個均勻的整體，內部有許多複雜的結構。分子雲的塌縮需要重力不穩定性，和湍流、轉動和磁場的作用一起，決定了分子雲團塊的空間和質量分佈，這些團塊就是恆星和星團形成的區域。很多的分子雲團塊或子團塊會一起塌縮，所以恆星都是成群誕生的，就像一個大家庭的兄弟姊妹，隨著時間的流逝散落在各地。天文學家估計我們的太陽大約有數千個兄弟姊妹。

分子雲團塊的塌縮使得中心溫度逐漸升高，形成稱為原恆星（protostar）的物體。這個原恆星還沒有開始核融合，因為核心溫度還不足以維持核反應。原恆星會依靠重力吸積周圍的氣體，形成吸積盤（見圖4）。隨著原恆星質量的不斷增加，內部的溫度和壓力逐漸升高，最終達到足以啟動核融合的程度，成為一顆恆星。品質越大，這過程的時間需要的時間越短。對於太陽質量的恆星而言，大約需要5 千萬年，比起太陽100 億年的壽命，這是一個非常短暫的嬰兒時期。在原恆星吸積結束或即將結束的時候，吸積盤上殘餘的氣體和塵埃會碰撞聚集，形成核，吸積周圍的氣體和塵埃，最終形成了圍繞恆星的行星。

圖4. 二十個不同的原恆星和它的吸積盤。（圖片來自ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello）

數十年來，天文學家逐漸理解了星際間瀰漫的氣體星雲是如何塌縮成一顆顆的恆星及其周圍行星的大概過程，卻還有很多不清楚的細節，也有很多尚未解決的問題。這些問題的答案可能會為我們揭示太陽繫起源甚至是生命的起源。因此韋布望遠鏡把觀測恆星形成過程做為核心科學目標之一。

03絢麗多「彩」的恆星搖籃，到底是怎麼拍出來的

恆星形成區中充滿了塵埃，這些塵埃遮擋了光線（想像一下霧霾天氣），使得我們無法看清恆星形成區內部的細節以及誕生中的恆星。而紅外線光線可以穿透這些塵埃，這正是韋布望遠鏡的觀測波段。因此相較於哈伯望遠鏡，韋布望遠鏡除了細節更加清晰（高解析度）還能夠看得更通透（看到被塵埃遮擋的天體）。圖5 左邊是哈伯拍攝的著名的「創世之柱」（ Pillars of Creation，天鷹星雲一小部分），這些像噴湧而出的暗褐色柱狀物就是塵埃，右圖是韋布望遠鏡拍攝的同樣區域。可以看到韋布的照片明顯更加通透，在哈伯照片中許多被塵埃遮擋的區域和恆星都顯現出來。

圖5.哈伯（左）和韋布（右）望遠鏡拍攝的天鷹星雲（Eagle Nebula）的一部分。（圖片來自NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI).）

我們人眼是看不到紅外線光線的，那麼我們為什麼能看到韋布拍攝的這麼多絢麗多彩的照片呢？其實，我們平常看到的各種顏色都可以用幾種基本顏色來合成，例如各種顯示設備和數位相機使用紅、綠、藍三原色來合成其他顏色；印表機使用青、紅、黃來合成各種彩色圖片。天文觀測中的顏色其實對應於一個非常窄的波段，用一個波段觀測就能看到一個顏色，例如你用一個紅色的鏡片就能看到一個紅色的世界，相當於只有紅光通過了鏡片，這種鏡片在天文上叫做濾波。

對於韋布觀測的蛇夫座星雲（圖3）來說，它是使用近紅外線相機拍攝的，總共使用了五種濾波片分別拍攝，然後給每一張拍攝圖片指定一個人眼可見的顏色，最後合成了我們看到的絢麗多「彩」的星雲，其中：

濾波片F187N（中心波長1.874 微米）指定為藍色

濾波片F200W（1.990微米）為淺藍色

濾波片F335W（3.365微米）為青色

濾波片F444W（4.421微米）為黃色

濾波片F470N（4.707微米）為紅色

濾波片的波長依序增加，指定顏色的波長也依序增加。

圖3 的拍攝的蛇夫座星雲區域大約有50顆剛誕生的恆星，大部分和我們的太陽大小相仿。我們的太陽系在45 億年前也可能誕生於這樣的一個星雲之中。左下像石鐘乳溶洞一樣結構中心有一顆明亮的恆星，這是這個區域唯一一顆比太陽大很多的恆星，這顆年輕的恆星抑制不住內心的狂熱，釋放著熾烈的光和星風，像一把把刻刀，正在雕刻星雲的壁（塵埃），慢慢地侵蝕它，形成了我們所看到的樣子。這個空洞還瀰漫著淡淡的青色霧紗一樣的氣體－多環芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs），這是一類碳氫化合物，在星際介質中非常普遍，它的輻射特徵就在3.3微米附近。右上紅色像石筍一樣的結構是一顆剛誕生的恆星衝破了外面的包層，產生了相反兩個方向的噴流，就像一個新生的嬰兒第一次伸展雙臂。紅色是來自分子氫的輻射，因為它在4.693 微米附近有輻射特徵。中心區域有一個近似三角形的暗區，說明了厚重的塵埃連紅外線光線都遮擋了。

浩瀚無垠的宇宙，不僅因其瑰麗燦爛而讓渺小的我們大飽眼福，還因其暗藏玄機而讓探索的我們獲得真知。不斷探索宇宙，就是探索自我，時時刻刻敬畏宇宙，就是敬畏自我！

參考資料：

https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html

https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb

https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128

作者：髕震中國科學院上海天文台研究員

出品：科普中國

監製：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數位傳媒有限公司