SOFIA

插图展现了行星状星云NGC 7027和氦化氢分子。在这个行星状星云中，SOFIA探测到氦化氢，它是氦（红）和氢（蓝）的结合，是早期宇宙中形成的第一种分子。这是第一次在现代宇宙中发现氦化氢。 Credits: NASA/SOFIA/L. Proudfit/D.Rutter 经过数十年的探索，人们首次在太空中探测到第一种在宇宙中形成的分子。科学家利用世界上最大的机载天文台（airborne observatory），NASA的同温层红外线天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA），在我们自己的星系中发现了它的信号。 宇宙很年轻时，只有几种原子存在。科学家认为，大爆炸（the big bang）后大约10万年，氦和氢结合起来，首次制造出一种叫氦化氢（Helium hydride）的分子。现代宇宙中应该存在氦化氢，但直到现在才被发现。 [rml_read_more] SOFIA在行星状星云（昔日像太阳一样的恒星的“残骸”）NGC 7027中发现了现代氦化氢。NGC 7027距天鹅座（constellation Cygnus）3000光年，具有允许这种神秘分子形成的条件。这一发现证明了氦化氢实际上可以存在于太空中，同时也证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分，以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。研究结果发表在本周的《自然》杂志上。 “这种分子潜伏在那儿，我们需要正确的仪器在适当的位置进行观测，SOFIA就完美地做到了，”SOFIA科学中心（位于加州硅谷）主任Harold Yorke说道。 今天，宇宙充满了大而复杂的结构，例如行星、恒星和星系。但是130多亿年前（大爆炸之后），早期的宇宙很热，只有几种原子，主要是氦和氢。当原子结合形成分子时，宇宙才能够冷却并开始形成其他结构。科学家推断，氦化氢是第一个原始分子。 冷却开始后，氢原子便可以与氦化氢相互作用，从而产生分子氢——主要负责形成第一波恒星的分子。恒星继续制造更多元素，构成我们今天化学结构丰富的宇宙。但问题是，科学家们无法在太空中找到氦化氢。直到现在，化学诞生的第一步终于得到证实。 “数十年来，星际空间中缺乏氦化氢存在的证据一直是天文学中的困境，”马克斯普朗克射电天文研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy，位于德国波恩）的Rolf Guesten说，他是该论文的第一作者。 氦化氢是一种“很难搞”的分子。氦本身是一种惰性气体，因此不太可能与任何其他种类的原子结合。但是在1925年，科学家们通过诱导氦气与氢离子共享其中一个电子，能够在实验室中创造出这种分子。 后来，在20世纪70年代后期，研究NGC 7027的科学家认为这种环境可能恰好形成氦化氢。来自“老去恒星”的紫外线辐射和热量刚好提供了条件。但他们的观测结果并无定论。随后的研究暗示该分子的存在，但一直检测不到。所使用的太空望远镜没有特定的技术，未能从星云中其他分子的混合物中提取出氦化氢的信号。 2016年，科学家们向SOFIA寻求帮助。SOFIA的飞行高度达到14公里，在地球大气层上方进行观测。但不同于太空望远镜的优势在于，它在每次飞行后会返回。 “我们能够更换仪器并安装最新技术，”SOFIA副项目科学家Naseem Rangwala表示，“这种灵活性使我们能够改进观测并回应科学家最迫切的问题。” 最近SOFIA上升级的一种仪器称为German Receiver at Terahertz Frequencies （或GREAT），上面增加了以前望远镜没有的氦化氢的特定频道。该仪器像无线电接收器一样运作：科学家们调整正在搜索的分子的频率，类似于用调频收音机找电台。当SOFIA进入夜空时，科学家们正在实时读取仪器中的数据。终于，氦化氢的信号清晰地出现了。 “第一次在数据中看到氦化氢是非常令人兴奋的，”Guesten说，“这为长期的搜索带来了一个欢乐的结局，并消除了我们对早期宇宙中基础化学的理解的疑虑。 机载天文台SOFIA的科学家发现了宇宙中形成的第一种分子。他们在天鹅座附近的行星状星云中发现了氦和氢的化合物，称为氦化氢。这一发现证实了我们对早期宇宙化学的基本理解的关键部分，以及它如何在数十亿年后演变成今天这般复杂的化学结构。 Credits: NASA/Ames Research Center SOFIA，即同温层红外线天文台，是一架波音747SP喷气客机，经过改装后可以携带直径67米的望远镜。这是NASA和德国航空太空中心（DLR）的联合项目。NASA的艾姆斯研究中心（Ames Research Center，位于加利福尼亚州硅谷）与大学空间研究协会（Universities Space Research Association，总部位于马里兰州哥伦比亚）以及斯图加特大学的德国SOFIA研究所（DSI）合作管理SOFIA项目、科学、和任务运营。该航天器由NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center，位于加利福尼亚州帕姆代尔）维护和运营。 参考： https://www.nasa.gov/feature/the-universe-s-first-type-of-molecule-is-found-at-last/

自大质量恒星（massive star，比我们的太阳还要大上好几倍）诞生之际，它们便会放射出炽热明亮的光芒，直到最终爆炸形成超新星（supernova）。在这期间，它们释放的能量如此巨大，甚至能影响到星系的演化。但是，不同于像太阳一样的恒星，天文学家对这些巨大恒星的形成之谜知之甚少。 “像这样的大质量恒星在所有恒星之中占比不到百分之一，但它们却能对其他恒星的形成造成影响。”吉姆•德•布伊泽（Jim De Buizer）说道，他是索菲亚平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）科学中心高校空间研究协会（Universities Space Research Association，USRA）的高级科学家。“像我们的太阳这样的恒星，它们在形成之初更加安静和低调，并且由于它们数量如此之多，我们对它们的起源特性也就了解得更为彻底。” 为了了解更多信息，研究人员用索菲亚平流层红外天文台SOFIA来研究一团名为W51的巨大天体云。W51位于距离我们约17000光年之外的地方，主要的构成物质为氢气，是一个罕见的巨大恒星形成之处。 但是那些恒星诞生于天体云内部深处，不在人眼可见的光频范围内；利用SOFIA的空间机载望远镜以及高敏感度的红外相机，研究团队仔细观察着这团高密度的天体云，他们捕捉到了一场恒星形成引发的宇宙星光秀，包括许多从未见过的现象。 被称为W51的恒星摇篮中，大质量恒星的诞生引发了一场宇宙星光秀，在斯隆数字化巡天（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）的星空图像中显示出白色的光芒。其中最为古老、演化程度最高的大质量恒星位于图中左上角，处于淡黄色泡泡状光晕的中间；最年轻的一批恒星则普遍位于这张图片中心附近的区域，靠近中间偏左的最明亮的球状区域。诸如此类的大质量恒星，能放射出巨大的能量，因此它们在银河系的演化过程中起到了重要的作用。 版权：NASA/SOFIA/林（Lim）和德•布伊泽等人，以及斯隆数字化巡天 [rml_read_more] SOFIA所用的红外相机被称为“索菲亚望远镜暗天体红外相机”（Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope，FORCAST），具有灵敏的探测器和强大的放大功能，让研究人员在巨大恒星诞生的瞬间就能发现它们。在遥远的星系中大质量恒星是如何诞生的呢？由于距离过于遥远，科学家无法对它们进行细致观察，因此，研究我们的银河系中大质量恒星是如何形成的，将有助于科学家了解类似的大质量恒星在遥远星系中的形成过程。 “就使用这种波长红外光拍摄的照片而言，这是目前可获得的分辨率最高的图像。”林王基（音译，Wanggi Lim）说道，他是SOFIA科学中心高校空间研究协会的科学家。“这不仅揭示了从前我们看不到的区域形貌，并且对我们了解这些恒星及其母天体云的物理特性和相对年龄至关重要。” 研究人员将SOFIA的数据与NASA斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope，SST）以及赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory，HSO）的数据相结合，一同对这些大质量恒星进行分析。他们发现，虽然天体云中这些恒星相对而言都比较年轻，但其中有一些演化程度更高，另外的则是最近形成的最年轻的一批。其中有一颗恒星格外大，质量大约相当于太阳的100倍，如果以后的观测能确定这是单独一颗巨大的恒星，而非多颗相似的恒星聚集在一起，那它就会成为我们的银河系中已形成的最大质量恒星之一。 关于年轻的大质量恒星如何照亮了我们银河系的其他区域，科学家正在进行一项调查，而以上的发现则是这项调查的第一份结果。 索菲亚平流层红外天文台SOFIA是由一架波音747SP喷气式客机改装而成的，载有一个直径为106英寸（269厘米）的望远镜，是NASA和德国航空航天中心（German Aerospace Center，DLR）的联合项目。NASA位于加利福尼亚州硅谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）负责管理SOFIA计划、其科学和任务的运行，合作机构包括总部位于马里兰州哥伦比亚的高校空间研究协会，以及斯图加特大学（University of Stuttgart）的德国索菲亚研究所（German SOFIA Institute，DSI）。SOFIA飞行器的维护和操作由NASA位于加利福尼亚州帕姆代尔的阿姆斯特朗飞行研究中心703飞机库（Armstrong Flight Research Center Hangar 703）负责。 参考： https://www.nasa.gov/feature/sofia-captures-cosmic-light-show-of-star-formation