科学家在遥远宇宙的星系中发现了水分子

在一项新研究中，科学家在一个遥远的星系中发现了生命存在所需元素的迹象。根据阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的最新观测结果，天文学家在早期宇宙最大的星系 SPT0311-58 中发现了水的踪迹。

▲ 这幅想象图显示了双星系 SPT0311-58 中的尘埃连续体，以及一氧化碳和水的分子线。ALMA 的数据显示，在这两个星系中，较大的那个星系具有丰富的一氧化碳和水，表明在元素最初形成后不久，宇宙中的分子就变得普遍起来

研究人员在这个距离地球近 128.8 亿光年的星系中发现了水和一氧化碳。对这两种分子的大量探测表明，当相关的元素在早期恒星中形成后不久，其组成的分子就逐渐在宇宙中变得普遍起来。这是迄今为止对早期宇宙中星系的分子气体含量最详细的研究，并且是在最遥远的常规恒星形成星系中探测到水分子。相关的研究结果发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。

▲ 这张动图显示了早期大质量星系 SPT0311-58 中尘埃连续体以及水和一氧化碳的分子线移动情况。动图开始是尘埃连续体与水和一氧化碳分子线的组合；之后是红色的尘埃连续体和蓝色的水分子线；一氧化碳的分子线包括粉色和深蓝色的 CO（10-9）、品红色的 CO（7-6）和紫色的 CO（6-5）

ALMA 的科学家于 2017 年首次观测到了 SPT0311-58，这个巨型星系实际上是由两个星系组成的。当然，科学家所观测到的过程真正发生时，该星系还处于再电离时期，当时的宇宙只有 7.8 亿年的年龄 —— 大约是如今宇宙年龄的 5%—— 而第一批恒星和星系也正在诞生。科学家认为，这两个星系可能正在合并，其中快速形成的恒星不仅耗尽了它们的气体或恒星形成原料，而且最终可能演变成大质量的椭圆星系，正如在近域宇宙（Local Universe）中所观察到的那样。

“通过对双星系 SPT0311-58 内部分子气体的高分辨率 ALMA 观测，我们在其较大的星系中发现了水分子和一氧化碳分子。特别是氧和碳，它们是第一代元素，并且以一氧化碳和水的分子形式存在，二者对我们目前所知的生命都至关重要，”美国伊利诺伊大学的天文学家、这项新研究的首席研究员斯里瓦尼・贾卢古拉说，“这个星系是目前已知质量最大的高红移星系，即处于宇宙还非常年轻的时期。与早期宇宙中的其他星系相比，它具有更多的气体和尘埃，这给了我们大量的潜在机会对其丰富的分子进行观察，并更好地了解这些创造生命的元素如何影响早期宇宙的发展。”

研究人员尤其关注水分子，这是宇宙中第三丰富的分子，仅次于氢分子和一氧化碳分子。先前对近域宇宙和早期宇宙中星系的研究，已经将水的散发和尘埃的远红外辐射联系起来。“这些尘埃吸收了来自星系中恒星的紫外线辐射，并以远红外光子的形式重新释放出来，”贾卢古拉说，“这进一步激发了水分子，产生了科学家能够观察到的水释放信号，从而帮助我们探测到这个巨大星系中的水分子。利用这种相关性，我们可以将水作为恒星形成的指示信号，进而在宇宙尺度上应用于其他星系。”

▲ 这些图像显示了早期大质量星系 SPT0311-58 观测中所看到的分子线和尘埃连续体。左图为合成图像，结合了尘埃连续体与水和一氧化碳的分子线。右侧从上到下分别为尘埃连续体（红色）、水分子线（蓝色）、一氧化碳分子线 CO（6-5）（紫色）、CO（7-6）（品红）和 CO（10-9）（粉色和深蓝色）

研究宇宙中最早形成的星系有助于科学家更好地了解宇宙及其中万事万物，包括太阳系和地球的诞生、成长和进化。“早期星系形成恒星的速度是银河系的数千倍，”贾卢古拉表示，“研究这些早期星系的气体和尘埃含量，可以让我们了解它们的属性，比如有多少恒星正在形成，气体转化为恒星的速度，星系与星系以及星系与星际介质之间如何相互作用，等等。”

贾卢古拉还指出，关于 SPT0311-58 和早期宇宙的星系，目前还有很多问题需要解答。他说：“这项研究不仅为宇宙中哪里存在水，以及这些水距离我们能有多遥远等问题提供了答案，而且还提出了一个更大的问题：这么多气体和尘埃是如何在如此早期的宇宙中聚集形成恒星和星系的？回答这一问题，需要对该星系和类似的恒星形成星系进行进一步研究，以更好地了解早期宇宙的结构形成和演化。”

“这个令人兴奋的结果显示了 ALMA 的力量，增加了我们对早期宇宙的观测，”美国国家科学基金会天体物理学家和 ALMA 项目主任乔・佩谢说，“这些对地球生命至关重要的分子正在快速形成，对它们的观察使我们有机会深入了解一个与今天截然不同的宇宙，以及这个宇宙的基本过程。”

什么是近域宇宙？

近域宇宙是指一个半径约为 10 亿光年的邻近宇宙区域，在这个范围内，宇宙演化的影响很小，星系和相关的天体基本上“冻结”在它们今天的形态。

这是宇宙中可以进行最详细观测的一部分，因此，我们关于星系和星系系统结构及其内部演化过程的大部分知识都来自对近域宇宙的研究。此外，近域宇宙学专注于研究星系的当前状态，以确定它们是如何形成和演化的。

对于任何成功的星系模型，不仅必须再现高红移的年轻星系，而且还要再现其演化至今天的产物。研究近域宇宙的基本方法包括将多波长数据与理论模型相结合，从而确定控制星系本质的关键物理过程。

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