JWST揭示了螺旋星系的生命周期，从尘埃到恒星

如果说有一条规则在天文学中几乎是普遍的，那就是：你只能通过观察你的仪器获取宇宙敏感的部分信息。 因此，当我们大多数人想到宇宙中的物体时，我们会想到最容易看到的成分：明亮的、靠近的、以可见光形式发出辐射的物体。 当我们想到星系时，我们会想到其中的恒星; 当我们想到恒星时，我们首先想到的是那些在我们的眼睛和望远镜中看起来最亮的恒星。 但是有一整个宇宙可以探索，其中大部分根本不会发出任何可见光。

即使对于像银河系这样的大型螺旋星系也是如此。 我们不仅仅是恒星的集合，偶尔有中性物质的「尘埃通道」阻挡着星光，而是一个丰富的气体和尘埃网络，点缀着恒星和被猛烈的恒星灾难吹走的空腔。 通过用JWST非凡的、前所未有的锐利和强大的眼睛观察附近的19个面对面的螺旋星系， PHANGS（附近星系的高角分辨率物理学）合作 终于揭示了其中 恒星的生命周期 。 从 令人叹为观止的景象到突破性的科学 ，以下是我们在附近这些银河系类似物中发现的内容。

仙女座星系是离地球最近的大星系，根据观察的波长或波长的光组，它显示出各种各样的细节。 即使是左上角的光学视图，也是许多不同滤光片的复合体。 它们一起展示，揭示了这个螺旋星系中存在的一系列令人难以置信的现象。 多波长天文学可以对几乎任何天体或现象产生意想不到的看法，揭示一个波长在另一个波长中完全不可见的细节。 图片来源 ：红外线：ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz， U. Gent; X 射线：ESA/XMM-Newton/EPIC/W. Pietsch、MPE; 光学： R. Gendler

在很长一段时间里，每当我们看到像银河系这样巨大的螺旋星系时，我们都会假设我们能看到的东西——恒星——与质量所在的位置对齐。 毕竟，在我们的太阳系中，最明亮的物体，太阳，占整个太阳系质量的99.8%。 但事实证明，星系并非如此。 恒星仅占星系总质量的2%左右。 大多数典型星系的正常物质都是以气体、尘埃和等离子体的形式存在的，恒星只占基于原子的正常物质的一小部分。 同时，星系总质量的大部分是由暗物质组成的：这种物质的引力影响可以被探测到，但在电磁波谱的任何地方都没有留下吸收或发射特征。

如果你想了解恒星的生命周期，你不能简单地只看可见光，而是需要检查正常物质的存在、分布和特征，而不仅仅是发光的恒星。 你需要了解银河系盘内的气体，以及当密度波穿过它时，它是如何以手臂状的配置聚集在一起的。 你需要了解整个银河系的恒星形成波是如何发生的，从中央凸起一直到郊区，以及气体是如何从一个位置输送到另一个位置的。 你还需要了解反馈和恒星死亡的过程：高能光、风，甚至来自生星和垂死恒星的物质冲击波不仅影响旋臂内的物质，而且影响更大的银河系盘内的物质。

这个三面板动画显示了幻影星系M74（NGC 628）中心的三个不同视图。 熟悉的彩色图像是哈勃（光学）视图，第二个面板展示了哈勃望远镜和韦伯望远镜的近红外视图，而中红外面板显示了温暖的尘埃，这些尘埃最终将在以后形成新的恒星，仅包含来自JWST的数据。 图片来源 ：ESA/Webb、NASA & CSA、J. Lee 和 PHANGS-JWST 团队; 欧空局/哈勃和美国宇航局，R. Chandar; 致谢：J. Schmidt; 动画：E. Siegel

这就是我们首先需要PHANGS计划的科学动机，就像首字母缩略词所说的那样：我们需要对这些星系进行成像

这次合作在选择目标时非常有选择性，挑选了19个面对面的螺旋星系，这些星系已经被哈勃太空望远镜、超大望远镜的MUSE仪器以及阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列进行了非常详细的成像，这些阵列涵盖了紫外线、光学和无线电波长。 这些星系既大又近，使它们具有很大的角度尺寸，而它们的正面方向使我们能够从我们自己的银河系永远无法获得的角度来观察它们。 这些特征结合在一起，使这19个星系成为大口径天基天文台观测的理想目标。

如果我们想获得这些星系中恒星、气体和尘埃的高分辨率视图，我们最好的工具是JWST：它可以在近红外光（揭示恒星和足够热的气体）和中红外光（显示较冷的气体和尘埃特征）中成像。 JWST的MIRI（中红外仪器）很早就对一些PHANGS星系进行了成像，这些景象立即变得非常壮观。

这些是PHANGS与JWST合作在中红外线成像的19个螺旋星系中的六个。 JWST的MIRI仪器揭示了高分辨率的特征，如加热的尘埃、多环芳烃和未来的恒星形成材料。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI 和 JWST/PHANGS 团队

即使通过目视观察也能看到，导致新恒星形成的尘埃和排列在螺旋星系臂上的尘埃不会阻挡我们对红外光的发光源的观察，而是会自行发出明亮的光芒。 当星光撞击星系内的尘埃时，它会升温，但不是传统意义上的「热」温度，而是与星际空间最深处相比才热的温度：仅比绝对零度高出几十开尔文。

是的，尘埃确实近乎完美地追踪了这些星系的旋臂，揭示了这些星系中新恒星形成的最强烈的区域。 当你发现一个星系有一个突出的恒星凸起时，它在红外线下会发出明亮的光芒：星系核心内有一丝中心活动，甚至可能是一个活跃的超大质量黑洞。 重叠物质的外壳在红外光下会发出明亮的光芒，并由最近的恒星形成事件驱动。 在各种星系中都可以看到尘土飞扬的臂状区域内的许多「口袋」，这些区域代表了最近恒星形成和恒星灾难（如超新星）已经吹走任何剩余尘埃的区域。

螺旋星系的一部分，NGC 4321，由JWST在近红外和中红外光下成像。 红/橙光追踪出尘埃区域，包括沿着旋臂的尘埃温暖而密集的地方：新恒星正在形成的地方。 在图像左下角的尘埃通道之间的空间中，可以看到单个恒星，就像图像左下角的巨大星团一样，而银河系中心则展示了一个丰富的区域，在这个特定的星系中，气体和尘埃非常密集。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

但也许最引人注目的是错 综复杂的气体和尘埃丝状网络 ，它们排列在这些螺旋星系中这些密集的臂状结构。 虽然大多数星系中的气体由裸原子或简单的分子和离子组成——通常只有两三个原子结合在一起，通常有一个或两个电子从它们的中性状态添加或减去——但尘埃的结构要复杂得多。 粉尘可以是大颗粒的材料，从微米级到几毫米甚至更大，也可以由极重的分子组成，例如富含碳的有机分子，如多环芳烃。

在分子气体密集的地方，就会出现灰尘。 当密度波穿过螺旋星系的圆盘时，旋臂本身成为气体和尘埃密度最高的区域。 当你在附近的年轻恒星和星团存在时，分子气体中的尘埃会被加热，并且很容易用JWST这样的望远镜看到。 然而，当有太多的恒星和星团长时间发光时，分子气体和尘埃就会蒸发掉。 最壮观的是，在有大面积的恒星形成区域、超新星和年轻或垂死恒星喷出的地方，气体和尘埃可以从相当大的区域排出，在气体和尘埃中吹出气泡并形成空洞。

这个顶部/底部的比较显示了附近尘土飞扬的螺旋星系NGC 7496的光学（顶部）和中红外（底部）视图。 红外线的明亮尖峰是核中心活动的暗示，可能揭示出一个活跃的超大质量黑洞。 上图中的深色特征是由遮光灰尘引起的，是下图中被照亮的特征。 图片来源 ：ESA/Hubble & NASA、J. Lee 和 PHANGS-HST 团队; 致谢：J. Schmidt

然后，所有这些特征都被印在尘埃丝网络上，各个特征都相互叠加，以创建银河系的尘埃「地图」。 通过将该数据与以下数据相结合：

我们可以开始了解这些星系中正常物质的生命周期。

在这些星系的外围，弥漫的原子气体向内流向银河系盘的中心区域。 在圆盘中，原子相互作用并形成分子，产生更大的分子和尘埃，其中密度在旋臂内达到峰值。 当达到临界密度时，恒星和星团开始从气体和尘埃中形成，然后升温并反馈到这些区域仍然存在的尘埃和气体上，将其蒸发掉，并在气体和尘埃中吹出巨大的气泡和空腔来自强烈的高能辐射和恒星大灾难的喷射。

这个旋转的螺旋星系NGC 1512距离地球只有3000万光年，它的特点是一颗古老的恒星核心，一个由炽热的恒星形成物质组成的中心环，然后纤细的旋臂将它与郊区一个更像环、恒星丰富的区域连接起来。 这张哈勃/JWST合成图像展示了哈勃望远镜所能看到的与JWST在红外光中揭示的气体和尘埃网络之间的明显差异。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、Janice Lee （STScI）、Thomas Williams （Oxford）、PHANGS Team; 动画：E. Siegel

通过近红外和中红外数据的气体和尘埃的精美JWST地图，这张照片不仅得到了证实，而且我们正在学习各种关于它如何在这些不同螺旋星系的环境中发生的新细节。 在每张图像中 - 您可以通过 此处提供的链接访问所有19 张图像 - JWST的近红外成像使天文学家能够识别数百万颗恒星，因为这些星系足够近，足够大，JWST的光学系统可以识别，分辨和挑选出大量的恒星，即使在数百万或数千万光年的距离上。

我们还可以在中红外光中看到两类不同的尘埃特征。

1. 存在于恒星后面、周围和恒星之间的尘埃，也就是说，在恒星不存在的区域持续存在的尘埃，尚未被这些恒星发出的强烈辐射蒸发掉。

2. 包裹着仍在形成过程中的恒星的尘埃，其中气体和尘埃正在为这些恒星形成区域内的恒星和（可能）星团的生长提供食物，这些恒星和原恒星的辐射和流出尚未将尘埃从它们身上吹走。

当你将来自JWST的近红外和中红外数据结合起来时，如果你愿意，你可以折叠来自哈勃的光学数据，也可能是其他数据，你可以并排看到这些特征的证据。

这张JWST（左上）和哈勃（右下）的合成图像，位于3200万光年外的附近螺旋星系NGC 628，展示了气体和尘埃网络，这些网络追踪了旋臂和其中当前的恒星形成区域。 在JWST的高分辨率红外图像中，气体和尘埃以鲜明的橙色和红色色调脱颖而出，并显示出更精细的螺旋形状，并出现锯齿状边缘，尽管这些区域仍然是漫射的。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、Janice Lee （STScI）、Thomas Williams （Oxford）、PHANGS Team

对于正常物质的生命周期，以及在这些星系中形成的恒星，证据所显示的是一个非凡的故事，并不是每个人都预料到的。 虽然很长一段时间以来，传统观点认为恒星会沿着这些旋臂在距离银河系中心的所有半径上连续形成，但数据却讲述了一个不同的故事。 星系似乎从星系内部向外生长，恒星形成传播。

恒星形成的情节似乎从星系的核心开始，然后沿着星系的臂扩散，向外传播。 我们可以通过测量我们在距离这些星系中心不同距离处发现的恒星种群的年龄来看到这一点的证据：恒星离星系核心越远，它就越有可能更年轻。 另一方面，如果你观察这些星系的核心附近，你会发现 - 在JWST图像中 - 那里有气体和尘埃的「空隙」，只是一个密集的恒星凸起，这些恒星通常往往是较老的恒星群体。

此外，当你看到这些明亮的「尖峰」从星系中心出现时，其中一些星系表现出来，这要么是一个超大质量黑洞在其核心积极进食的证据，要么是一系列星团，这些星团非常明亮，以至于图像本身在JWST的探测器中变得饱和。

位于5600万光年外的螺旋星系NGC 1365错综复杂的尘埃丝网络由JWST精心绘制。 新的恒星正在非常靠近银河系中心本身形成，以及沿着从银河系中心向外辐射的旋臂，而在尘埃中雕刻的巨大空洞表明最近的恒星形成和恒星灾难事件。 在中心，一个明亮的尖刺特征表明存在一个活跃的超大质量黑洞。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

通过对这 19 个 PHANGS 星系进行精美的 NIRCam 和 MIRI 成像，除了为我们的眼睛提供视觉盛宴的迷人而错综复杂的气体和尘埃地图之外，还有很多东西需要检查。 在这些图像中，有数以百万计的恒星被成像和解析，使天文学家能够前所未有地观察我们自己的本星群之外的螺旋星系中的恒星种群。 对单个恒星的测量也有助于我们了解恒星生命周期是如何运作的：引力坍缩、湍流以及各种类型的辐射和风都相互作用，在每个星系中产生恒星、星团和非恒星特征。

在这19个星系中，累计还有大约100,000个星团，这是有史以来最大的星团目录。 尽管大约有150名研究人员参与了PHANGS计划，但正如 Erik Rosolowsky教授所说 ，「这些图像可以完成的分析量远远超过我们团队可以处理的任何事情。 我们很高兴能够支持社区，以便所有研究人员都能做出贡献。 由于该计划的全套数据现已完全公开，天文学界现在可以访问所有这些数据，并且有可能在我们如何理解恒星、气体、尘埃及其宿主星系之间的关系方面酝酿一场革命。

螺旋星系NGC 3627有一个大的中心条，位于3600万光年之外，目前正在沿着其旋臂进行大量的新恒星形成，在JWST合成图像中以密集的红色斑点突出显示。 银河系的中心核由许多较老的凸起恒星组成，但最近形成的新恒星很少。 图片来源 ：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Lee （STScI）、T. Williams （Oxford）、PHANGS Team

然而，对许多人来说，最令人惊讶的是，尽管这些星系在粗略的水平上和细节上看起来彼此之间有多么不同，但它们内部有相同的过程，并且可以通过将它们放在一起观察得出相同的结论。 当我们在尘埃中看到这些气泡和空洞，以及丝状尘埃网络以及它如何跟随和排列在旋臂上时，我们正在有史以来最小的观测尺度上探索恒星形成周期。 当天文学家测量这些星系中恒星、气体和尘埃特征之间的间距时，他们正在了解星系的气体和尘埃是如何分布的，这为塑造它们的过程提供了见解。

从其核心的超大质量黑洞到这些星系中过去和现在发生的恒星形成事件，以及相对较新的恒星形成事件产生的新恒星和星团的年轻群体，PHANGS的合作正在为星系如何生长，气体和尘埃如何运输提供新的见解。 以及恒星的形成如何塑造这些星系本身的内部结构。 这些图像中编码了足够的信息，我们可以期待在以后的许多年里，仅这项研究就会不断获得科学见解。 有了关于塑造这些星系的重要因素的更好的数据和见解，对单个星系的模拟应该会得到改进，使我们能够更好地了解恒星、气体和尘埃是如何相互关联的，以及它们如何影响整个星系及其演化。