这几张刷屏美图，对化学家意味着什么？

前段时间，笔者的朋友圈被几张宇宙深空的美图刷屏了。美国航空航天局NASA及其合作伙伴于7月12日发布了五张詹姆斯•韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄的五张全彩照片，展示了美轮美奂的太空，包括恒星、黑洞以及星系。

船底座星云。图片来源：NASA ^[4]

上图是笔者最喜欢的照片——韦布望远镜拍摄的船底座星云（Carina Nebula）。这里可以看作是银河系中一个恒星的“产房”，照片中的星星点点，是正在诞生中的恒星。有“生”就有“死”。韦布望远镜还拍摄了南环星云（NGC3132），它距离地球2500光年，由垂死的恒星喷出的气体和尘埃构成。中心处的亮点，就是那颗行将落幕的恒星。

南环星云。图片来源：NASA ^[5]

下面这张图的主角是46亿年前出现的星系团SMACS0723，这也是迄今为止人类拍摄到的最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。

SMACS 0723星系团。图片来源：NASA ^[1]

SMACS 0723星系团包括数千个星系，基于引力透镜效应，这个星系团的巨大质量及暗物质有助于放大和扭曲大约在130亿年前（也就是在大爆炸后几亿年）形成的更古老星系（参见上图中央形成的透镜状扭曲）。由于宇宙膨胀，这些早期诞生的恒星和星系正飞快地远离地球，它们发出的光，无论是紫外线还是可见光，现在都会被“拉长”到红外波段。而韦布空间望远镜最值得夸耀的能力就在这里，凭借其6.5米宽的镀金镜面和灵敏的红外仪器，可观测波长在0.6～28微米之间，是目前人类最强的红外波段太空望远镜。也正是借助这一能力，人类能够有机会观察和研究那些最古老、最深处的星系。

在拍摄图像外，韦布望远镜还获得了光谱等更多数据，科学家们正在利用这些数据，分析星系的成分、质量、年龄以及历史。就像人们拥有独特的指纹和DNA序列一样，原子和分子也具有特征的发射波长。研究人员通过亮度与波长的曲线，可以确定星系中的化学元素以及行星大气中气体的丰度。“我们看到了氧气和氢气以及氖元素”，NASA科学家Jane Rigby说，“氧气如何在恒星上产生，我们正在看到这一过程的开始”。^[2]

亮度与波长折线图，利用不同波长的发射光谱进行元素标记。图片来源：C&EN ^[2]

在已确认的5000多颗系外行星中，WASP-96 b 是其中之一，位于大约1,150光年外的南天凤凰座（Phoenix），是一颗气态巨行星，直径是木星的1.2倍，质量不到木星的一半。WASP-96 b 的运行轨道非常靠近一颗类太阳的恒星，距离只有水星至太阳的九分之一，每3.5个地球日绕行一圈。“我们在质量约为木星一半的WASP-96 b行星的大气中发现了水蒸气”，NASA科学家Knicole Colón分享了研究成果，“数据表明，水蒸汽形成了雾以及蒸汽云，这是地面望远镜所无法观测到的”。^[2] 麻省理工学院天体化学家Brett McGuire认为WASP-96 b上水的分析是其最激动人心的发现之一。他说，这台望远镜让地球上的科学家们“以前所未有的视角了解另一个星系中另一颗行星的大气化学，这不可思议。” ^[2] 在过去的二十年中，哈勃太空望远镜分析了许多系外行星的大气层，并在 2013 年首次清晰地探测到水蒸气，但韦布空间望远镜可以进行更直接、更详细的观测。尽管天体生物学家预计系外行星WASP-96 b上不会像地球一样有生命存在，但分析大气的技术对于寻找具有液态水的潜在宜居系外行星至关重要。

系外行星WASP-96 b大气中水蒸气成分分析。图片来源：NASA ^[3]

斯蒂芬五重星系（Stephan’s Quintet）也被称为希克森紧密星系群92（HCG 92），其中只有四个星系真正靠得很近，距离地球约2.9亿光年，而第五个星系距离地球4000万光年。与数十亿光年之外更遥远的星系相比，这在宇宙中已经算是我们的“邻居”了。结合来自韦布近红外相机观测到的斯蒂芬五重星系最详细的红外图像，科学家们对其中一个超大质量黑洞的光谱进行了分析，发现黑洞周围不同区域的化学成分存在差异，它被一团细小的硅酸盐云团所包围，这与从内部流出的电离气体成分完全不同。这是迄今为止获得的最精细的数据，或许将为星系间相互作用、早期宇宙演化等研究领域提供新的观点。

利用韦布望远镜红外探测器拍摄的光谱，分析斯蒂芬五重奏星系中超大质量黑洞周围的尘埃云及电离气体的化学成分。图片来源：C&EN ^[2]

可以预见，未来会有更多“刷屏美图”帮助化学家去理解复杂的宇宙化学。

参考文献：

[1] NASA’s Webb Delivers Deepest Infrared Image of Universe Yet

https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet 

[2] What the first James Webb Space Telescope images could mean for chemistry

https://cen.acs.org/physical-chemistry/astrochemistry/first-James-Webb-Space-Telescope/100/i25 

[3] NASA’s Webb Reveals Steamy Atmosphere of Distant Planet in Detail

https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-steamy-atmosphere-of-distant-planet-in-detail 

[4] NASA’s Webb Reveals Cosmic Cliffs, Glittering Landscape of Star Birth

https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-cosmic-cliffs-glittering-landscape-of-star-birth 

[5] NASA’s Webb Captures Dying Star’s Final ‘Performance’ in Fine Detail

https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-captures-dying-star-s-final-performance-in-fine-detail 

（本文由小希供稿）