韋布空間望遠(yuǎn)鏡窺探垂死恒星

在詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）最新拍攝的驚人圖像中，一團(tuán)來自垂死恒星的氣體云揭示了宇宙中奇特碳分子的“誕生地”，這就是著名的“巴基球”（buckyballs）。

這些中空、足球狀的碳分子結(jié)構(gòu)，早在2010年就被發(fā)現(xiàn)存在于太空中，但它們的起源至今仍是未解之謎。

這張圖像展示了詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的中紅外儀器（MIRI）所觀測(cè)到的行星狀星云 Tc 1。它結(jié)合了9個(gè)濾光片的數(shù)據(jù)，覆蓋從5.6微米到25.5微米的波長(zhǎng)范圍，遠(yuǎn)超人類肉眼所能感知的范圍。藍(lán)色調(diào)代表溫度較高的氣體，對(duì)應(yīng)較短的中紅外波長(zhǎng)；紅色調(diào)則追蹤溫度較低的物質(zhì)，對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。圖像由加拿大西方大學(xué)（Western University）的合作者、中學(xué)科學(xué)教師Katelyn Beecroft使用PixInsight處理。

圖源：NASA / ESA / CSA / Western University, J. Cami)

中心是一個(gè)類似太陽大小但已耗盡燃料的恒星殘骸，白矮星，它周圍環(huán)繞著層層剝離的氣體殼層。

Tc 1：巴基球的“故鄉(xiāng)”，隱藏著倒置問號(hào)

Tc 1位于南天星座Ara（拉丁語意為“祭壇”），距離地球約1萬光年。它早已因2010年被發(fā)現(xiàn)含有大量巴基球而聞名于世，那是西方大學(xué)物理與天文學(xué)教授Jan Cami團(tuán)隊(duì)利用NASA斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的成果，該發(fā)現(xiàn)還發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

如今，韋布以更大的鏡面和更高分辨率“接力”觀測(cè)，揭示了更多驚人細(xì)節(jié)。圖像中出現(xiàn)了一個(gè)倒置的“問號(hào)”狀結(jié)構(gòu)，科學(xué)家目前尚無法完全解釋其成因。Cami教授在聲明中感慨：“Tc 1本來就已經(jīng)非同尋常，因?yàn)樗屛覀冎腊突虼_實(shí)存在于宇宙中。但這張新圖像告訴我們，我們之前只是淺嘗輒止。我們現(xiàn)在看到的結(jié)構(gòu)令人屏息，它們提出的問題和答案一樣多。”

巴基球的正式名稱是巴克明斯特富勒烯（buckminsterfullerene），以建筑師Buckminster Fuller命名，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)類似他設(shè)計(jì)的測(cè)地線穹頂。1985年，Harry Kroto等人發(fā)表論文首次描述了這種分子，后來部分團(tuán)隊(duì)成員因此獲得1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

為什么巴基球如此重要？它們可能是生命的“原料”

巴基球?qū)儆诙喹h(huán)芳烴（PAHs）家族，這類有機(jī)化合物被視為生命的基本成分之一。它們?cè)谟钪嬷蟹植紡V泛：不僅出現(xiàn)在垂死恒星周圍的行星狀星云中，還能在年輕恒星、星際云、恒星形成區(qū)甚至隕石中找到。但奇怪的是，它們并不普遍，“我們幾乎到處都能看到它們，但頻率并不高，這正是謎團(tuán)所在。”Cami說。

通過韋布的高分辨率數(shù)據(jù)，科學(xué)家首次能清晰看到巴基球如何隨溫度、密度和輻射場(chǎng)變化而演化。這有助于理解有機(jī)分子在宇宙中的形成與演化過程，或許還能為地球生命的起源提供新線索。

“盒子里的盒子”：巴基球殼層之謎

最新觀測(cè)顯示，巴基球主要集中在白矮星周圍的一個(gè)獨(dú)立殼層中。西方大學(xué)博士生Morgan Giese形容這就像“巴基球排列成一個(gè)巨大的巴基球”。為什么會(huì)形成這種“殼中殼”結(jié)構(gòu)？目前仍是未解之謎。

此外，圖像還捕捉到細(xì)絲狀氣體結(jié)構(gòu)，以及巴基球在紅外波段的獨(dú)特發(fā)射譜。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的模型無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些發(fā)射特征，這意味著我們可能遺漏了某些物理化學(xué)過程，或者實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)還不夠精確。

研究團(tuán)隊(duì)成員（從左至右）依次為：西蒙·范·斯凱倫伯格（Simon Van Schuylenbergh）、埃爾斯·皮特斯（Els Peeters）、簡(jiǎn)·卡米（Jan Cami）、摩根·吉斯（Morgan Giese）、查米·巴特（Charmi Bhatt）和德里斯·范·德·普特（Dries Van De Putte）。

圖源：Christopher Kindratsky / 西安大略大學(xué)傳播部）

Cami團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步分析Tc 1的溫度、化學(xué)成分、密度和氣體運(yùn)動(dòng)。這是人類首次對(duì)行星狀星云進(jìn)行如此詳細(xì)的“全景式”觀測(cè)。他們還將利用韋布更多時(shí)間，觀測(cè)另外兩個(gè)富含巴基球的行星狀星云，重點(diǎn)研究輻射場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響，光化學(xué)和光物理過程很可能在其中扮演關(guān)鍵角色。

太陽的未來：我們自己的恒星也會(huì)這樣嗎？

Tc 1中心的恒星與我們的太陽大小相近，但已進(jìn)入生命晚期。它耗盡燃料后，層層拋出氣體和塵埃，最終留下熾熱的白矮星核心，其輻射使周圍氣體發(fā)光。這正是類似太陽的恒星在數(shù)十億年后可能經(jīng)歷的命運(yùn)。

行星狀星云的名字聽起來與行星有關(guān)，其實(shí)只是因?yàn)樵缙谕h(yuǎn)鏡下它們看起來像行星圓盤。實(shí)際上，全宇宙中數(shù)百個(gè)類似星云里，只有少數(shù)（如不到10個(gè)）被確認(rèn)含有巴基球。為什么偏偏是它們？科學(xué)家仍在尋找答案。

從斯皮策到韋布：15年的延續(xù)

2010年的發(fā)現(xiàn)開啟了太空巴基球研究的序幕，斯皮策望遠(yuǎn)鏡功不可沒。但其任務(wù)已在2020年結(jié)束。韋布作為更強(qiáng)大的繼任者，不僅分辨率更高，還能觀測(cè)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。Katelyn Beecroft這位業(yè)余天文愛好者在接到Cami邀請(qǐng)后，僅用幾小時(shí)就處理出這張震撼圖像，讓人驚嘆。

更多科學(xué)論文即將發(fā)布，將詳細(xì)解讀光譜數(shù)據(jù)、紅外發(fā)射機(jī)制以及巴基球的形成環(huán)境。Cami表示：“我們發(fā)現(xiàn)影響巴基球發(fā)射的物理過程比之前想象的更多。”

宇宙的奧秘遠(yuǎn)未窮盡。韋布的這張圖像不僅展現(xiàn)了巴基球的誕生地，更讓我們看到一顆類似太陽的恒星在死亡過程中，如何塑造出如此復(fù)雜而美麗的結(jié)構(gòu)。那些閃爍的藍(lán)色、白色與紅色光環(huán)，仿佛在提醒我們：宇宙中處處藏著生命的線索，而人類的探索才剛剛開始。

參考

[1]https://www.space.com/astronomy/stars/james-webb-space-telescope-peers-into-a-dying-star-surrounded-by-mysterious-buckyballs-the-structures-were-seeing-now-are-breathtaking

[2]https://news.westernu.ca/2026/04/jwst-buckyballs/