中国天眼FAST，揭开猎户座大星云的神秘“面纱”_新浪财经

冬季夜空中，找到猎户座腰间整齐排列的三颗亮星，再向下方的“佩剑”望去，便能看见一点朦胧的微光。架起望远镜对准这点微光，模糊的光影顿时舒展开来：明亮的中心、向外伸展的光翼，以及光芒间深浅交错的纹路。这就是许多天文爱好者所熟悉的猎户座大星云，M42。这样一颗镶在猎人腰间的美丽宝石，究竟是怎么被雕刻成了今天的模样？今天就让我们一探究竟。

图1：猎户座大星云（M42）及其核心区域概览。左图：冬季星空下的猎户座全景，方框标出M42所在位置，图源网络。右下：M42可见光波段合成图像，图源NASA, ESA, Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team, Massimo Robberto (STScI, ESA)。右上：M42核心区域放大图，红色椭圆标记四边形星团所在位置，图源NASA and C.R. O'Dell (Vanderbilt University)。

1. 大质量恒星，M42的天然雕刻师

人类用望远镜观测M42的历史可以追溯到四百多年前。1610年，Peiresc首次用望远镜记录下这团朦胧的星云。半个世纪后，Huygens手绘描摹下了它明亮而复杂的核心；1880年，Draper又第一次将M42的身影留存在照相底片上。

通过观测人们发现，这片光芒最耀眼的中心，坐落着一群非常年轻的大质量恒星，其中最醒目的四颗排列成近似梯形，被称为四边形星团（Trapezium）。

这些大质量恒星，尤其是其中最大的一颗名为 θ¹ Ori C，持续释放强烈的紫外辐射和高速恒星风，前者将周围气体加热、电离，后者则像一股狂风，不断冲击和扫积周围的星际物质，使得M42周围的气体结构被一点点加热、照亮和重塑，就像一位心灵手巧的雕刻师，造就了M42如今的美丽形态。

2. 璀璨“宝石”前，竟还着蒙着一层“面纱”？

不过，当天文学家越来越精细地观察这场“雕刻”时，却发现了另一件有趣的事情：我们其实并不能毫无遮挡地看到M42。星云中的一些区域明显更加昏暗，来自其中恒星和发光气体的光芒，也会被途中经过的尘埃吸收和散射。随着观测手段不断进步，人们逐渐确认，在视线与明亮的M42之间，确实横亘着大片前景气体和尘埃。它们仿佛蒙在星云前的一层薄纱，因此被形象地称为——“面纱”。

那么，怎样才能看清这层肉眼几乎看不见的“面纱”呢？天文学家使用过许多不同的观测手段，其中一把重要的“钥匙”就是中性氢21厘米谱线。这是中性原子氢发出的特征射电信号：它不仅能够告诉我们中性气体分布在哪里，还能通过谱线频率的细微变化，测出气体沿视线方向运动的速度。

早在几十年前，天文学家就已经利用这条谱线研究过“面纱”。2013年，van der Werf等人更利用美国甚大阵列望远镜VLA获得了M42核心区域的高分辨率中性氢图像，看清了许多精细结构。不过，VLA这样的射电干涉阵列虽然“看得细”，却不擅长捕捉尺度很大、信号又十分微弱的弥散气体，因此“面纱”气体的整体模样依然无人得知。

3. FAST首次看清完整的中性氢“面纱”结构

要看清这层巨大而微弱的“面纱”，需要一双足够敏锐的“眼睛”。这一次，中国天眼 FAST 发挥了它极高灵敏度的优势。研究人员使用的是李菂教授团队提出的FAST多科学目标同时扫描巡天（CRAFTS）中的 CRAFTS H I Narrow All-Sky（CHINA）巡天数据。CRAFTS可以在一次漂移扫描中，同时服务于银河系中性氢、河外星系、脉冲星和快速射电暴等多个科学目标。项目通过让FAST的19波束接收机旋转一个角度对天空平面进行致密的交错扫描，实现“超奈奎斯特采样”，从而让天空中的信号得到更加充分和均匀的覆盖；同时项目采用高频噪声注入定标，以每秒数千次的频率监测和校正接收系统的变化。这些技术共同保证了CRAFTS巡天数据优异的灵敏度、稳定性和成图质量，使微弱而大尺度的中性氢结构能够更加完整地显现出来。CHINA数据的角分辨率约为3角分，速度分辨率约为0.1 km/s，单速度通道灵敏度可达约25 mK。凭借前所未有的高灵敏中性氢大天区观测，一幅过去从未如此清晰的图景逐渐浮现出来：大量中性氢在M42外围勾勒出一个轮廓完整的巨大壳层，整体看上去就像一颗包围着星云的“心脏”。

中性氢21厘米谱线还有另外一个本领，它能告诉我们气体运动的速度。当气体向我们靠近或远离时，谱线的频率会发生微小的变化，对于天文上的“蓝移”或“红移”。依据这个原理我们可以把谱线不同频率移动的部分，对应到不同的速度，就提取到了不同速度的气体。再把这些信息按照不同的速度排列起来，就形成了类似于动画片的速度通道图。我们可以看到对于“面纱”气体，随着速度的变化，原本零散的弧状结构逐渐显现、连接，形成清晰的壳层轮廓，随后又逐渐变淡、消失。这种随速度有规律变化的形态，正是一个具有整体膨胀运动的气泡留下的“指纹”。

：FAST观测到的面纱气泡中性氢21厘米速度通道图。每个小图对应一个速度区间，颜色表示中性氢21厘米谱线的亮度。绘图数据源于Di Li et al. 2024

4. 辐射与星风，谁把壳层推得更快？

当研究人员对面纱气泡进行位置-速度切片分析时，发现沿着特定的方向切片时，反映出来气泡不同位置处的膨胀速度不同，呈现明显的系统差异，这是一个十分有趣的结果。随之研究人员叠加多波段的数据，发现气泡东北侧以6厘米射电连续谱示踪的电离气体为主，可以看作主要受光致电离影响的区域；西南侧则充满X射线发光的高温等离子体，是恒星风作用更加明显的区域。这样的结构让研究人员获得了在同一个气泡中，直接比较光致电离与恒星风推动壳层效果的机会。

：Li, C. & Li R. 等人于2026年发表在《科学·进展》上的面纱气泡多波段观测与膨胀运动学结果。图A：FAST 中性氢积分强度图（绿色），积分速度范围为0至5 km/s，五角星标记了四边形星团的OB成员星位置。虚线将气泡划分为两个区域：红色区域以辐射产生电离气体的6cm射电连续谱发射为主，蓝色区域以星风加热的等离子体的X射线发射为主。图B&C：面纱气泡的位置-速度切片图，红色虚线表示辐射电离气体主导的膨胀速度，蓝色虚线表示星风动能主导的膨胀速度。

进一步通过气泡上各个点的中性氢谱线分解结果，研究人员测得主要受光致电离影响一侧的中位膨胀速度约为10.9 km/s，而主要受恒星风影响的一侧约为13.8 km/s。星风一侧的壳层确实被推得更快。而辐射和星风分别作用在壳层上的动能还取决于壳层携带了多少物质。研究人员结合中性氢和分子氢的分布估计两侧气体质量，并考虑气泡的三维几何形状。在假设球对称且两侧具有相同中性氢与分子氢比例的条件下，恒星风主导区域的膨胀动能约为辐射主导区域的2倍。

图4：Li, C.& Li R. 等人于2026年发表在《科学·进展》上的面纱气泡三维结构想象图。绿色表示向外膨胀的中性氢壳层，红色表示主要受光致电离影响的区域，蓝色表示主要受恒星风影响的区域。右侧为观测者所在方向，左侧平面表示投影到天空中的观测图像。

FAST观测给出的答案是：在大质量恒星形成过程中产生的反馈，不是由某一种力量包办一切。在面纱气泡中，光致电离气体的热压力与恒星风共同推动着中性氢壳层；恒星风一侧膨胀得更快，携带的动能也更多，但两种机制处在可以相互比较的量级。对于这个约有几十万年历史的气泡，恒星风发挥了比经典光致电离主导模型预期更强的作用。

这一结果来自M42这一个系统，也对应大质量恒星仍在形成、尚未爆发为超新星的阶段。未来还需要对更多恒星形成区开展同样的多波段观测，才能判断这种关系是否普遍存在。但至少在猎户座，大质量恒星早已在生命结束之前，用光和风改写了自己的诞生地。

动画：FAST观测到的不同视向速度下的猎户座面纱气泡。随着速度从负值到正值变化，面纱气泡的弧状结构逐渐显现和扩展，反映出面纱气泡不同位置处的气体正以不同速度朝向或远离我们运动。这些气体并不是静止云团，而是一个正在演化的三维壳层。开头和结尾静态艺术想象图中，绿色部分代表膨胀的中性氢气体壳层，红色与蓝色分别象征猎户座四边形星团的恒星辐射和恒星风对壳层气体的塑造作用。

参考文献

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