JWST揭示星际水冰的结构

文章概述：

使用詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），一支由MPE的Paola Caselli，Barbara Michela Giuliano和Basile Husquinet等研究人员组成的团队深入探索了密集云核，揭示了以前无法观测到的星际冰的细节。这项发表在《天文学自然》杂志上的研究聚焦于卡邁倫I区域，利用JWST的NIRCam测量了云层背后数百颗恒星的光谱线。

首次检测到了被称为“悬挂OH”的弱光谱特征，表明水分子并未完全结合在冰中。这些特征可以追踪冰粒子的多孔性和修改，从而揭示了它们从分子云到原行星盘的演变过程中的作用。这一发现增进了我们对冰粒子结构及其在行星形成中的作用的理解。

通过JWST的前所未有的灵敏度，我们能够探测密集云核深处的冰，而在此之前，它们一直逃避着先前的观测设备。

这些视线是地面上的初始冰在分子云尘粒表面形成和聚集成冰行星体的缺失环节，这仍然是一个鲜为人知的过程，它发生在新星周围的原行星盘中。深入探寻恒星诞生地将为这些冰粒子的修改提供新线索。

在针对卡邁倫I区域进行的Ice Age项目中，使用JWST的NIRCam仪器观测了我们银河系中靠近的一片密集云区域，允许同时对云层背后数百颗恒星的光谱进行测量。

这些星星发出的光与穿越云层的冰粒子相互作用，然后被JWST的大型镜子捕捉并检测到。迄今为止，我们能够测量与冰中主要物种相关的主要、强烈吸收特征，即水、二氧化碳、一氧化碳、甲醇和氨。

由于望远镜镜面的大小，现在我们可以测量更弱的特征。对弱光谱特征的位置和轮廓进行深入研究可以揭示物体的一些物理条件。在这里，我们首次检测到了一组与冰中仅占少部分水分子相关的非常微弱的波段。

实验室天体物理学家长期以来一直在实验室冰中测量的光谱特征，称为“悬挂OH”，对应于未完全结合在冰中的水分子，并且可以追踪冰粒子内的表面和界面，或者当水与冰中的其他分子物种混合在一起时。

这些“悬挂OH”特征位于地面无法接触的光谱区域，因此，虽然自上世纪90年代以来一直在积极寻找它们，但以往覆盖该光谱范围的先前空间观测设备缺乏检测它们所需的光谱分辨率和灵敏度的组合，只提供了上限。

现在在JWST时代，我们可以使用这些标记来追踪冰粒子在通向行星形成的旅途上的修改。长期以来，人们一直预计，如果检测到这些标记，它们可以用来追踪冰的多孔性，即它们的存在会表明具有高多孔性的“蓬松”颗粒，而它们的缺失则会表明紧凑和聚集。

尽管这种简单的解释仍在争论中，但成功检测到这些标记意味着我们现在可以在不同的环境和不同的星际云中搜索它们，并在星际云中不同的时间点确定它们是否可以用作追踪冰在不同条件下的演变的标记。

“在冰外壳中检测到的水悬键特征证实了实验室天体物理学对解释JWST数据的重要性，”其中一位作者Barbara Michela Giuliano说道。

“对观测到的冰的物理特性的详细信息仍需要实验室的广泛支持，以解开星际介质和原行星盘中密集区域内所观测到的光谱特征。在CAS，我们很高兴提供这样的支持，”她补充道。

“JWST的高灵敏度，加上实验室天体物理学的显著进展，最终使我们能够详细研究星际冰的物理结构和化学组成，”Paola Caselli说道，她和她的博士生Basile Husquinet也为该论文做出了贡献。

“这对于提供对化学/动力学建模的严格约束是至关重要的，这些模型需要重建我们的天体化学历史，从星际云到原行星盘再到像我们自己的恒星系统。能参与其中是令人兴奋的。”

这项研究表明，在云层中，可能存在“蓬松”的冰颗粒，影响着这些区域中可能发生的化学反应，从而影响能够积累的化学复杂度。

这一发现还为研究行星形成打开了新窗口，因为最终，这些光谱特征使我们能够建立冰的空间分布和变化的想法，以及它们如何在从分子云到原行星盘再到行星的旅程中演变。