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。

比如在2023年春節期間，不少上海市民、游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，有一場壯美的星云“藝術展”。誰有這么大本領，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 哈勃繼任者：詹姆斯·韋布空間望遠鏡

詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST ，以下簡稱韋布望遠鏡）是由美國宇航局（NASA）、歐洲太空局（ESA）和加拿大太空局（CSA）合作完成。

作為哈勃空間望遠鏡的繼任者，它是目前世界上最復雜且最昂貴的天文望遠鏡；

搭載了四個科學儀器：近紅外相機（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、精細制導傳感器/近紅外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，和哈勃望遠鏡不同，韋布望遠鏡主要觀測紅外波段 （見圖 1），波長大于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后形成的第一代星系，研究星系的演化，觀測恒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，探究它們存在生命的可能性。

圖 1. 哈勃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 米口徑）能夠提供前所未有的分辨率和靈敏度，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，其中包括了一個彌漫著氣體和塵埃的星云——船底座星云（Carina Nebula；圖 2右上），被很多網友們認為是首批科學圖像中最美的一張，筆者把它作為了自己電腦的桌面壁紙。

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云圖像——蛇夫座星云（Rho Ophiuchi cloud，圖 3），這個圖片像一幅印象派的畫作，被《自然》雜志評選為 2023 年度十大科學圖像之一。

韋布望遠鏡就像太空中的莫奈，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圖像。左上：兩個紅外波段的南環星云；右上：船底座星云的一角 (NGC 3324)；左下：斯蒂芬五重奏星系；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云的一角。每個恒星耀眼的六角星芒是由于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 瑰麗絕倫的星云：恒星誕生的搖籃

韋布望遠鏡拍攝的船底座星云和蛇夫座星云都是恒星形成區——也就是恒星誕生的地方，觀測這些天區是韋布望遠鏡的核心科學目標之一，有望為我們揭示恒星誕生的奧秘。

其中蛇夫座星云是距離我們最近的恒星形成區，大約390 光年。

天文學家們認為，一塊巨大分子云會坍縮成幾千顆甚至上百萬顆恒星，這些分子云就是恒星形成區域，它們主要由大約70%的氫，28%的氦，以及少量的其它元素。

分子云典型的尺度在幾十光年到幾百光年，質量是幾萬到幾百萬太陽質量，溫度非常低，大約零下 250 攝氏度。

這些分子云并不是一個均勻的整體，內部有很多復雜的結構。分子云的塌縮需要引力不穩定性，和湍流、轉動和磁場的作用一起，決定了分子云團塊的空間和質量分布，這些團塊就是恒星和星團形成的區域。

很多的分子云團塊或者子團塊會一起塌縮，所以恒星都是成群誕生的，就像一個大家庭的兄弟姐妹，隨著時間的流逝散落在各地。天文學家們估計我們的太陽大約有幾千個兄弟姐妹。

分子云團塊的塌縮使得中心溫度逐漸升高，形成一個稱為原恒星（protostar）的物體。這個原恒星還沒有開始核聚變，因為核心溫度還不足以維持核反應。

原恒星會依靠引力吸積周圍的氣體，形成吸積盤（見圖 4）。隨著原恒星質量的不斷增加，內部的溫度和壓強逐漸升高，最終達到足以啟動核聚變的程度，成為一顆恒星。

質量越大，這一過程的時間需要的時間越短。對于太陽質量的恒星而言，大約需要 5 千萬年，相比于太陽 100 億年的壽命，這是一個非常短暫的嬰兒時期。

在原恒星吸積結束或者即將結束的時候，吸積盤上殘余的氣體和塵埃會碰撞聚集，形成核，吸積周圍的氣體和塵埃，最終形成了圍繞恒星的行星。

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

數十年來，天文學家們逐漸理解了星際間彌漫的氣體星云是如何塌縮成一顆顆的恒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系起源甚至是生命的起源。因此韋布望遠鏡把觀測恒星形成過程做為核心科學目標之一。

03 絢麗多“彩”的恒星搖籃，到底是怎么拍出來的

恒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），使得我們無法看清恒星形成區內部的細節以及誕生中的恒星。

而紅外光線可以穿透這些塵埃，這正是韋布望遠鏡的觀測波段。因此相比于哈勃望遠鏡，韋布望遠鏡除了細節更加清晰（分辨率高）還能夠看得更通透（看到被塵埃遮擋的天體）。

圖5 左邊是哈勃拍攝的著名的“創世之柱”（ Pillars of Creation，天鷹星云一小部分），這些像噴涌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，在哈勃照片中很多被塵埃遮擋的區域和恒星都顯現出來。

圖5.哈勃（左）和韋布（右）望遠鏡拍攝的天鷹星云（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光線的，那么我們為什么能看到韋布拍攝的這么多絢麗多彩的照片呢？

其實，我們平時看到的各種顏色都可以用幾種基本顏色來合成，比如各種顯示設備和數碼相機使用紅、綠、藍三原色來合成其他顏色；

打印機使用青、紅、黃來合成各種彩色圖片。天文觀測中的顏色實際上對應于一個非常窄的波段，用一個波段觀測就能看到一個顏色，比如你用一個紅色的鏡片就能看到一個紅色的世界，相當于只有紅光通過了鏡片，這種鏡片在天文上叫做濾波片。

對于韋布觀測的蛇夫座星云（圖 3）來說，它是使用近紅外相機拍攝的，總共使用了五種濾波片分別拍攝，然后給每一張拍攝圖片指定一個人眼可見的顏色，最后合成了我們看到的絢麗多“彩”的星云，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

濾波片的波長依次增加，指定顏色的波長也依次增加。

圖3 的拍攝的蛇夫座星云區域大約有50顆剛剛誕生的恒星，大部分和我們的太陽大小相仿。

我們的太陽系在 45 億年前也可能誕生于這樣的一個星云之中。

左下像石鐘乳溶洞一樣結構中心有一顆明亮的恒星，這是這個區域唯一一顆比太陽大很多的恒星，這顆年輕的恒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，正在雕刻星云的壁（塵埃），慢慢地侵蝕它，形成了我們看到的樣子。

這個空洞還彌漫著淡淡的青色霧紗一樣的氣體——多環芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons， PAHs），這是一類碳氫有機化合物，在星際介質中非常普遍，它的輻射特征就在 3.3 微米附近。

右上紅色像石筍一樣的結構是一顆剛剛誕生的恒星沖破了外面的包層，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 微米附近有輻射特征。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，時刻敬畏宇宙，就是敬畏自我！