美國宇航局（NASA）的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在準備為遙遠的世界和遙遠的星系提供令人難以置信的新圖像，但這個新的紅外太空觀測站也將讓我們前所未有地看到我們宇宙的一個微小組成部分：太空塵埃。有一類塵埃可以為一些大的過程提供新的線索，例如恆星和星系的形成和演變。
從技術上講，這些塵埃顆粒中最微小的是多環芳烴（簡稱PAHs），它們是太空中最豐富的分子類型之一。它們包括一整個家族的大分子，其結構就像鐵絲網一樣–由不同模式的六邊形組成的格子狀結構。
在20世紀80年代首次被發現后，天文學家幾乎在他們的望遠鏡指向的所有地方都發現了PAHs：在一些最早的星系中，在恆星形成的氣體雲中，以及在離家較近的地方，在土星的衛星泰坦的大氣中。
在過去，天文學家受到空間塵埃的阻礙，因為望遠鏡無法看穿遍布星系的黑暗、巨大的塵埃雲。隨着紅外天文學的出現，望遠鏡能夠“看穿”這些遮蔽的雲層，科學家們發現空間塵埃實際上是恆星和行星形成的一個重要部分。現在，韋伯準備成為揭開其秘密的“遊戲規則的改變者”。
多環芳烴領域的先驅之一、位於加州硅谷的美國宇航局艾姆斯研究中心的研究員Louis Allamandola說：“韋伯的能力使以前的紅外望遠鏡相形見絀，將徹底改變天文學。”
韋伯的塵埃數據中將出現前所未有的細節
當美國宇航局的斯皮策望遠鏡在2003年發射時，憑藉其新一代的紅外技術，多環芳烴研究開始了。
“現在，韋伯將帶來極好的空間和光譜分辨率，”艾姆斯研究中心的天文學家和一個項目的聯合首席研究員Christiaan Boersma說，該項目將利用韋伯來研究太空中的PAHs。“我們將能夠看到細節–更好的細節–在比以前更小的尺度上。這將揭示PAHs如何在非常不同的天文環境中形成和演變。而這將使我們能夠解開驅動恆星形成結構的光物理學和化學，並解釋我們觀察到的從系外行星和恆星到星系的顯著多樣性。”
Boersma對韋伯將提供的詳細光譜感到興奮。這些就像光的“指紋”。當塵埃分子被太陽或其他恆星的光線加熱時，它們會發出紅外光來冷卻。光的模式，或光譜，可以幫助識別光所來自的不同類型的多環芳烴分子–如果我們能夠足夠好地捕捉它的話。
利用分辨率較低的紅外望遠鏡技術，天文學家已經探測到了廣泛的多環芳烴群體或家族。破譯單一類型多環芳烴的光譜是可能的，但這是一項艱苦的工作，需要望遠鏡觀測、實驗室工作和先進計算的協同作用，而這正是艾姆斯研究中心實驗室天體物理學小組的基礎。這個領域在艾姆斯研究中心達到了成熟，使科學家們能夠在實驗室中重現星際空間中多環芳烴的形成條件，並測量由此產生的分子的光譜指紋。
到目前為止，通過在實驗室研究分子，他們已經確定了大約100種不同多環芳烴的“光指紋”，並在計算機的幫助下確定了另外4000種。有了所有這些數據，天文學家將已知的光譜與天空中觀察到的PAH群體相匹配。
這是一項巨大的工作，但研究人員期望強大的韋伯望遠鏡將帶來一種全新的方法。
Boersma說：“我們的聖杯是能夠直接從望遠鏡數據中識別和量化構成我們所看到的家族的特定PAH類型。我們比以往任何時候都更接近，這要歸功於之前的基礎工作。”
有了韋伯的分辨率，他們將能夠找出更小的多環芳烴子集–由尺寸、形狀和電荷等特徵定義–對觀察到的光譜有所貢獻。為了分析和解釋多環芳烴的觀測結果，研究人員將求助於NASA科學家建立的一個研究數據庫。NASA艾姆斯多環芳烴紅外光譜數據庫可供全球科學界免費使用，並提供數據庫和複雜的工具。
“我們正在進入‘PAH研究2.0’的時代，”Allamandola說。“看光譜就像在聽交響樂。韋伯將使我們第一次聽到管弦樂隊中所有不同種類的PAHs。這是一個巨大的進步。”