JWST揭示了螺旋星系的生命周期，從塵埃到恒星

如果說有一條規則在天文學中幾乎是普遍的，那就是：你只能透過觀察你的儀器獲取宇宙敏感的部份資訊。 因此，當我們大多數人想到宇宙中的物體時，我們會想到最容易看到的成分：明亮的、靠近的、以可見光形式發出放射線的物體。 當我們想到星系時，我們會想到其中的恒星; 當我們想到恒星時，我們首先想到的是那些在我們的眼睛和望遠鏡中看起來最亮的恒星。 但是有一整個宇宙可以探索，其中大部份根本不會發出任何可見光。

即使對於像銀河系這樣的大型螺旋星系也是如此。 我們不僅僅是恒星的集合，偶爾有中性物質的「塵埃通道」阻擋著星光，而是一個豐富的瓦斯和塵埃網路，點綴著恒星和被猛烈的恒星災難吹走的空腔。 透過用JWST非凡的、前所未有的銳利和強大的眼睛觀察附近的19個面對面的螺旋星系， PHANGS（附近星系的高角分辨率物理學）合作 終於揭示了其中 恒星的生命周期 。 從 令人嘆為觀止的景象到突破性的科學 ，以下是我們在附近這些銀河系類似物中發現的內容。

仙女座星系是離地球最近的大星系，根據觀察的波長或波長的光組，它顯示出各種各樣的細節。 即使是左上角的光學檢視，也是許多不同濾光片的復合體。 它們一起展示，揭示了這個螺旋星系中存在的一系列令人難以置信的現象。 多波長天文學可以對幾乎任何天體或現象產生意想不到的看法，揭示一個波長在另一個波長中完全不可見的細節。 圖片來源 ：紅外線：ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz， U. Gent; X 射線：ESA/XMM-Newton/EPIC/W. Pietsch、MPE; 光學： R. Gendler

在很長一段時間裏，每當我們看到像銀河系這樣巨大的螺旋星系時，我們都會假設我們能看到的東西——恒星——與品質所在的位置對齊。 畢竟，在我們的太陽系中，最明亮的物體，太陽，占整個太陽系品質的99.8%。 但事實證明，星系並非如此。 恒星僅占星系總品質的2%左右。 大多數典型星系的正常物質都是以瓦斯、塵埃和電漿的形式存在的，恒星只占基於原子的正常物質的一小部份。 同時，星系總品質的大部份是由暗物質組成的：這種物質的重力影響可以被探測到，但在電磁波譜的任何地方都沒有留下吸收或發射特征。

如果你想了解恒星的生命周期，你不能簡單地只看可見光，而是需要檢查正常物質的存在、分布和特征，而不僅僅是發光的恒星。 你需要了解銀河系盤內的瓦斯，以及當密度波穿過它時，它是如何以手臂狀的配置聚集在一起的。 你需要了解整個銀河系的恒星形成波是如何發生的，從中央凸起一直到郊區，以及瓦斯是如何從一個位置輸送到另一個位置的。 你還需要了解反饋和恒星死亡的過程：高能光、風，甚至來自生星和垂死恒星的物質沖擊波不僅影響旋臂內的物質，而且影響更大的銀河系盤內的物質。

這個三面板動畫顯示了幻影星系M74（NGC 628）中心的三個不同檢視。 熟悉的彩色影像是哈伯（光學）檢視，第二個面板展示了哈柏望遠鏡和韋伯望遠鏡的近紅外檢視，而中紅外面板顯示了溫暖的塵埃，這些塵埃最終將在以後形成新的恒星，僅包含來自JWST的數據。 圖片來源 ：ESA/Webb、NASA & CSA、J. Lee 和 PHANGS-JWST 團隊; 歐空局/哈伯和美國國家航空暨太空總署，R. Chandar; 致謝：J. Schmidt; 動畫：E. Siegel

這就是我們首先需要PHANGS計劃的科學動機，就像首字母縮略詞所說的那樣：我們需要對這些星系進行成像

這次合作在選擇目標時非常有選擇性，挑選了19個面對面的螺旋星系，這些星系已經被哈伯太空望遠鏡、超大望遠鏡的MUSE儀器以及阿塔卡馬大型公釐/亞公釐陣列進行了非常詳細的成像，這些陣列涵蓋了紫外線、光學和無線電波長。 這些星系既大又近，使它們具有很大的角度尺寸，而它們的正面方向使我們能夠從我們自己的銀河系永遠無法獲得的角度來觀察它們。 這些特征結合在一起，使這19個星系成為大口徑天基天文台觀測的理想目標。

如果我們想獲得這些星系中恒星、瓦斯和塵埃的高分辨率檢視，我們最好的工具是JWST：它可以在近紅外光（揭示恒星和足夠熱的瓦斯）和中紅外光（顯示較冷的瓦斯和塵埃特征）中成像。 JWST的MIRI（中紅外儀器）很早就對一些PHANGS星系進行了成像，這些景象立即變得非常壯觀。

這些是PHANGS與JWST合作在中紅外線成像的19個螺旋星系中的六個。 JWST的MIRI儀器揭示了高分辨率的特征，如加熱的塵埃、多環芳烴和未來的恒星形成材料。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI 和 JWST/PHANGS 團隊

即使透過目視觀察也能看到，導致新恒星形成的塵埃和排列在螺旋星系臂上的塵埃不會阻擋我們對紅外光的發光源的觀察，而是會自行發出明亮的光芒。 當星光撞擊星系內的塵埃時，它會升溫，但不是傳統意義上的「熱」溫度，而是與星際空間最深處相比才熱的溫度：僅比絕對零度高出幾十克耳文。

是的，塵埃確實近乎完美地追蹤了這些星系的旋臂，揭示了這些星系中新恒星形成的最強烈的區域。 當你發現一個星系有一個突出的恒星凸起時，它在紅外線下會發出明亮的光芒：星系核心內有一絲中心活動，甚至可能是一個活躍的超大品質黑洞。 重疊物質的外殼在紅外光下會發出明亮的光芒，並由最近的恒星形成事件驅動。 在各種星系中都可以看到塵土飛揚的臂狀區域內的許多「口袋」，這些區域代表了最近恒星形成和恒星災難（如超新星）已經吹走任何剩余塵埃的區域。

螺旋星系的一部份，NGC 4321，由JWST在近紅外和中紅外光下成像。 紅/橙光追蹤出塵埃區域，包括沿著旋臂的塵埃溫暖而密集的地方：新恒星正在形成的地方。 在影像左下角的塵埃通道之間的空間中，可以看到單個恒星，就像影像左下角的巨大星團一樣，而銀河系中心則展示了一個豐富的區域，在這個特定的星系中，瓦斯和塵埃非常密集。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

但也許最引人註目的是錯 綜復雜的瓦斯和塵埃絲狀網路 ，它們排列在這些螺旋星系中這些密集的臂狀結構。 雖然大多數星系中的瓦斯由裸原子或簡單的分子和離子組成——通常只有兩三個原子結合在一起，通常有一個或兩個電子從它們的中性狀態添加或減去——但塵埃的結構要復雜得多。 粉塵可以是大顆粒的材料，從微米級到幾公釐甚至更大，也可以由極重的分子組成，例如富含碳的有機分子，如多環芳烴。

在分子瓦斯密集的地方，就會出現灰塵。 當密度波穿過螺旋星系的圓盤時，旋臂本身成為瓦斯和塵埃密度最高的區域。 當你在附近的年輕恒星和星團存在時，分子瓦斯中的塵埃會被加熱，並且很容易用JWST這樣的望遠鏡看到。 然而，當有太多的恒星和星團長時間發光時，分子瓦斯和塵埃就會蒸發掉。 最壯觀的是，在有大面積的恒星形成區域、超新星和年輕或垂死恒星噴出的地方，瓦斯和塵埃可以從相當大的區域排出，在瓦斯和塵埃中吹出氣泡並形成空洞。

這個頂部/底部的比較顯示了附近塵土飛揚的螺旋星系NGC 7496的光學（頂部）和中紅外（底部）檢視。 紅外線的明亮尖峰是核中心活動的暗示，可能揭示出一個活躍的超大品質黑洞。 上圖中的深色特征是由遮光灰塵引起的，是下圖中被照亮的特征。 圖片來源 ：ESA/Hubble & NASA、J. Lee 和 PHANGS-HST 團隊; 致謝：J. Schmidt

然後，所有這些特征都被印在塵埃絲網路上，各個特征都相互疊加，以建立銀河系的塵埃「地圖」。 透過將該數據與以下數據相結合：

我們可以開始了解這些星系中正常物質的生命周期。

在這些星系的外圍，彌漫的原子瓦斯向內流向銀河系盤的中心區域。 在圓盤中，原子交互作用並形成分子，產生更大的分子和塵埃，其中密度在旋臂內達到峰值。 當達到臨界密度時，恒星和星團開始從瓦斯和塵埃中形成，然後升溫並反饋到這些區域仍然存在的塵埃和瓦斯上，將其蒸發掉，並在瓦斯和塵埃中吹出巨大的氣泡和空腔來自強烈的高能放射線和恒星大災難的噴射。

這個旋轉的螺旋星系NGC 1512距離地球只有3000萬光年，它的特點是一顆古老的恒星核心，一個由熾熱的恒星形成物質組成的中心環，然後纖細的旋臂將它與郊區一個更像環、恒星豐富的區域連線起來。 這張哈伯/JWST合成影像展示了哈柏望遠鏡所能看到的與JWST在紅外光中揭示的瓦斯和塵埃網路之間的明顯差異。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、Janice Lee （STScI）、Thomas Williams （Oxford）、PHANGS Team; 動畫：E. Siegel

透過近紅外和中紅外數據的瓦斯和塵埃的精美JWST地圖，這張照片不僅得到了證實，而且我們正在學習各種關於它如何在這些不同螺旋星系的環境中發生的新細節。 在每張影像中 - 您可以透過 此處提供的連結存取所有19 張影像 - JWST的近紅外成像使天文學家能夠辨識數百萬顆恒星，因為這些星系足夠近，足夠大，JWST的光學系統可以辨識，分辨和挑選出大量的恒星，即使在數百萬或數千萬光年的距離上。

我們還可以在中紅外光中看到兩類不同的塵埃特征。

1. 存在於恒星後面、周圍和恒星之間的塵埃，也就是說，在恒星不存在的區域持續存在的塵埃，尚未被這些恒星發出的強烈放射線蒸發掉。

2. 包裹著仍在形成過程中的恒星的塵埃，其中瓦斯和塵埃正在為這些恒星形成區域內的恒星和（可能）星團的生長提供食物，這些恒星和原恒星的放射線和流出尚未將塵埃從它們身上吹走。

當你將來自JWST的近紅外和中紅外數據結合起來時，如果你願意，你可以折疊來自哈伯的光學數據，也可能是其他數據，你可以並排看到這些特征的證據。

這張JWST（左上）和哈伯（右下）的合成影像，位於3200萬光年外的附近螺旋星系NGC 628，展示了瓦斯和塵埃網路，這些網路追蹤了旋臂和其中當前的恒星形成區域。 在JWST的高分辨率紅外影像中，瓦斯和塵埃以鮮明的橙色和紅色色調脫穎而出，並顯示出更精細的螺旋形狀，並出現鋸齒狀邊緣，盡管這些區域仍然是漫射的。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、Janice Lee （STScI）、Thomas Williams （Oxford）、PHANGS Team

對於正常物質的生命周期，以及在這些星系中形成的恒星，證據所顯示的是一個非凡的故事，並不是每個人都預料到的。 雖然很長一段時間以來，傳統觀點認為恒星會沿著這些旋臂在距離銀河系中心的所有半徑上連續形成，但數據卻講述了一個不同的故事。 星系似乎從星系內部向外生長，恒星形成傳播。

恒星形成的情節似乎從星系的核心開始，然後沿著星系的臂擴散，向外傳播。 我們可以透過測量我們在距離這些星系中心不同距離處發現的恒星族群的年齡來看到這一點的證據：恒星離星系核心越遠，它就越有可能更年輕。 另一方面，如果你觀察這些星系的核心附近，你會發現 - 在JWST影像中 - 那裏有瓦斯和塵埃的「空隙」，只是一個密集的恒星凸起，這些恒星通常往往是較老的恒星群體。

此外，當你看到這些明亮的「尖峰」從星系中心出現時，其中一些星系表現出來，這要麽是一個超大品質黑洞在其核心積極進食的證據，要麽是一系列星團，這些星團非常明亮，以至於影像本身在JWST的探測器中變得飽和。

位於5600萬光年外的螺旋星系NGC 1365錯綜復雜的塵埃絲網路由JWST精心繪制。 新的恒星正在非常靠近銀河系中心本身形成，以及沿著從銀河系中心向外放射線的旋臂，而在塵埃中雕刻的巨大空洞表明最近的恒星形成和恒星災難事件。 在中心，一個明亮的尖刺特征表明存在一個活躍的超大品質黑洞。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

透過對這 19 個 PHANGS 星系進行精美的 NIRCam 和 MIRI 成像，除了為我們的眼睛提供視覺盛宴的迷人而錯綜復雜的瓦斯和塵埃地圖之外，還有很多東西需要檢查。 在這些影像中，有數以百萬計的恒星被成像和解析，使天文學家能夠前所未有地觀察我們自己的本星群之外的螺旋星系中的恒星族群。 對單個恒星的測量也有助於我們了解恒星生命周期是如何運作的：重力塌縮、亂流以及各種型別的放射線和風都交互作用，在每個星系中產生恒星、星團和非恒星特征。

在這19個星系中，累計還有大約100,000個星團，這是有史以來最大的星團目錄。 盡管大約有150名研究人員參與了PHANGS計劃，但正如 Erik Rosolowsky教授所說 ，「這些影像可以完成的分析量遠遠超過我們團隊可以處理的任何事情。 我們很高興能夠支持社群，以便所有研究人員都能做出貢獻。 由於該計劃的全套數據現已完全公開，天文學界現在可以存取所有這些數據，並且有可能在我們如何理解恒星、瓦斯、塵埃及其宿主星系之間的關系方面醞釀一場革命。

螺旋星系NGC 3627有一個大的中心條，位於3600萬光年之外，目前正在沿著其旋臂進行大量的新恒星形成，在JWST合成影像中以密集的紅色斑點突出顯示。 銀河系的中心核由許多較老的凸起恒星組成，但最近形成的新恒星很少。 圖片來源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

然而，對許多人來說，最令人驚訝的是，盡管這些星系在粗略的水平上和細節上看起來彼此之間有多麽不同，但它們內部有相同的過程，並且可以透過將它們放在一起觀察得出相同的結論。 當我們在塵埃中看到這些氣泡和空洞，以及絲狀塵埃網路以及它如何跟隨和排列在旋臂上時，我們正在有史以來最小的觀測尺度上探索恒星形成周期。 當天文學家測量這些星系中恒星、瓦斯和塵埃特征之間的間距時，他們正在了解星系的瓦斯和塵埃是如何分布的，這為塑造它們的過程提供了見解。

從其核心的超大品質黑洞到這些星系中過去和現在發生的恒星形成事件，以及相對較新的恒星形成事件產生的新恒星和星團的年輕群體，PHANGS的合作正在為星系如何生長，瓦斯和塵埃如何運輸提供新的見解。 以及恒星的形成如何塑造這些星系本身的內部結構。 這些影像中編碼了足夠的資訊，我們可以期待在以後的許多年裏，僅這項研究就會不斷獲得科學見解。 有了關於塑造這些星系的重要因素的更好的數據和見解，對單個星系的模擬應該會得到改進，使我們能夠更好地了解恒星、瓦斯和塵埃是如何相互關聯的，以及它們如何影響整個星系及其演化。