NGC 7496位于Grus星座，距离地球超过2400万光年，是PHANGS研究的19个星系之一。在这张由JWST中红外仪器(MIRI)拍摄的图像中，它的旋臂充满了相互重叠的海绵状气泡和外壳。这些细丝和空腔是年轻恒星释放能量的证据，在某些情况下，还会吹出它们周围星际介质的气体和尘埃。在NGC 7496的中心是一个活跃的星系核——另一种说法是指一个活跃的超大质量黑洞。Credit: NASA, ESA, CSA, Joseph DePasquale/STScI
据美国物理学家组织网（by Michelle Franklin, University of California- San Diego）：人们普遍认为，除了像行星、恒星和小行星这样的大型天体之外，外层空间是空的。事实上，星系中充满了一种名为星际介质(ISM)的物质，即弥漫在这些大型物体之间的气体和尘埃。重要的是，在适当的条件下，新的恒星就是从ISM中形成的。
现在，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员与一个全球项目团队合作，在天体物理学杂志快报特刊上发表了他们的发现，专门介绍他们通过JWST第一周期财政计划使用高级望远镜图像的工作。
“利用JWST，你可以以非常高的分辨率制作附近星系的令人难以置信的地图，提供星际介质的惊人细节图像，”该项目的联合首席研究员、物理学副教授卡琳·桑德斯特罗姆说。
虽然JWST可以观察到非常遥远的星系，但桑德斯特罗姆的小组研究的星系距离我们相对较近，大约在3000万光年之外，其中包括一个被称为幻影星系的星系。也被称为M74或NGC 628，天文学家至少从18世纪就知道这个幻影星系的存在。
Sandstrom与博士后学者Jessica Sutter和前博士后学者Jeremy Chastenet(现就职于根特大学)一起专注于ISM中一种称为多环芳烃(PAHs)的特定成分。多环芳烃是微小的灰尘颗粒，只有一个分子大小，正是它们的微小尺寸使得它们对研究人员如此有价值。
当多环芳烃吸收来自恒星的光子时，它们会振动并产生可以在中红外电磁光谱中检测到的发射特征——这通常不会发生在ISM中较大的尘埃颗粒上。多环芳烃的振动特性允许研究人员观察许多重要的特征，包括大小、电离和结构。
斯皮策太空望远镜(左)和JWST(右)拍摄的NGC 628(幻影星系)图像的对比显示，图像的清晰度和细节都有显著提高。Credit: SST cr: NASA/JPL-CalTech; JWST cr: NASA, ESA, CSA, STScI
这是桑德斯特罗姆从研究生院开始就感兴趣的事情。“斯皮策太空望远镜观察的是中红外，这也是我在博士论文中用到的。自从斯皮策退休后，我们没有太多机会接触中红外光谱，但JWST是不可思议的，”她说。“斯皮策有一面0.8米的镜子；JWST的镜子是6.5米。这是一个巨大的望远镜，它有令人惊叹的仪器。我等这一刻已经等了很久了。”
尽管按质量计算，多环芳烃在整个ISM中并不占很大比例，但它们很重要，因为它们很容易电离——这一过程可以产生光电子，加热ISM中的其余气体。更好地理解多环芳烃将导致更好地理解ISM的物理学和它是如何运作的。天体物理学家希望JWST能提供一个多环芳烃如何形成、如何变化以及如何被破坏的观点。
因为多环芳烃均匀地分布在整个ISM中，所以研究人员不仅可以看到多环芳烃本身，还可以看到它们周围的一切。以前的地图，比如斯皮策拍摄的，包含的细节要少得多——它们本质上看起来像银河斑点。凭借JWST提供的清晰度，天体物理学家现在可以看到新形成的恒星吹出的气体细丝甚至“气泡”，这些恒星的强烈辐射场和由此产生的超新星蒸发了它们周围的气体云。
为了获得JWST的观察时间，第一周期财政部项目团队必须设计包括曝光时间和过滤器等细节的观察。一旦他们的提交被接受，负责JWST科学和飞行任务运作的空间望远镜科学研究所就捕获和处理数据。这个程序总共包括19个星系的数据。
Cycle 1 Treasury计划是一个更大的项目PHANGS(附近星系的高角度分辨率物理学)的一部分。PHANGS利用来自智利阿塔卡马大型毫米阵列(ALMA)和甚大望远镜的多波长图像研究恒星形成和ISM。然而，由于恒星形成所在的致密云层包含大量尘埃，光学光线很难穿透看到内部发生的事情。使用中红外光谱允许研究人员使用相同的尘埃及其明亮的发射来获得高分辨率的详细图像。
“我最兴奋的事情之一是，现在我们有了ISM的高分辨率示踪剂，我们可以绘制各种各样的东西，包括扩散气体的结构，这种气体必须变得更加致密和分子化，才能形成恒星，”桑德斯特罗姆说。“我们还可以绘制新形成的恒星周围的气体，那里有许多‘反馈’，例如来自超新星爆炸的反馈。我们真的可以看到ISM的整个周期的很多细节。这是星系如何形成恒星的核心。”