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128亿光年外!科学家首次发现宇宙深处的水,意味着什么?

128亿光年外的水

我们知道,水是一种极其重要的物质,如果没有水,许多化学反应都是无法进行的。对于生命来说,水就更加重要了。究其原因,也是一样的,如果没有水支持的各种生化反应,生命也是无法存活的。

因此,在寻找宇宙中的宜居行星甚至是可能的外星生命信号时,水也被看作是最重要的探测目标,被科学家们“特殊对待”。

但这一次,能够在128亿光年外找到水,确实是令人非常惊讶。

128亿光年外!科学家首次发现宇宙深处的水,意味着什么?

(图片说明:SPT0311-58星系)

科学家们找到水的地方,是名叫SPT0311-58的星系,这其实是两个星系,最早由伊利诺伊大学厄巴纳·香槟分校的科学家在2017年的时候利用位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)发现的。它距离我们极其遥远,使得这次发现成为了人类迄今为止发现的最遥远的水分子。

128亿光年外,意味着它的光传播到地球需要128亿年,我们今天看到它的模样,其实是它在128亿年前的样子。

科学家是如何知道这个星系距离我们有多远的呢?

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在物理学上有一种效应,叫作多普勒效应,它指的是波源远离观测者时波长被拉长,反之则缩短的现象。路上一辆鸣笛的车从一个人面前经过,鸣笛的音调先升高后降低,就是多普勒效应的体现。宇宙中,遥远的星系都在远离我们,它们会从电磁波上体现出多普勒效应,也就是所谓的红移。通过红移值,就可以判断一个星系和我们的距离。

伊利诺伊大学的天文学家Sreevani Jarugula是本次研究的参与者之一,她介绍说:这个星系是目前已知的拥有高红移值的最大质量星系,它形成于宇宙非常年轻的时期。

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(图片说明:红移示意图)

最古老的水

目前来说,科学家通常利用光谱法来寻找宇宙中的水。由于SPT0311-58星系过于遥远,本次研究还借助了引力透镜效应将其“放大”,取得了更好的观测结果。

这个发现令人震惊之处,不仅仅在于其遥远的距离,时间也是关键。根据目前科学家的研究结果,我们的宇宙只有138亿年的历史。我们目前看到的SPT0311-58星系,是它在宇宙大爆炸后仅仅10亿年的模样。

而且,宇宙大爆炸的38亿年后,我们的宇宙就进入黑暗时期了,当时宇宙中充满了中性氢,没有其他的物质。又经过了几亿年的时间,通过再电离事件,我们的宇宙才形成了各种各样的天体。

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即便在这个时候,宇宙中基本上也只有两种元素,那就是氢和氦。随着第一批恒星死亡,发生了超新星爆发这样的极端事件,才让更加剧烈的核聚变反应发生,形成了碳、氮、氧甚至更重的化学物质。

水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的,想要出现水,就必须要等到第一批恒星的超新星爆发开始之后才有可能。大家可以算一算,从宇宙大爆炸到宇宙黑暗时代,到再电离时期,再到第一批恒星诞生、演化和死亡,最终才有机会形成水。考虑到这么复杂而又漫长的过程,这次发现的水分子竟然在宇宙大爆炸后10亿年就出现,就显得确实很特别了。

快速形成的星系与恒星

128亿光年外!科学家首次发现宇宙深处的水,意味着什么?可以说,这一次发现的水分子,基本上也是宇宙中最古老的一批水分子了。同时,来自美国宇航局的科学家们也感慨于早期恒星生命周期之短暂。宇宙中绝大部分恒星的寿命都在100亿年以上,而SPT0311-58中的恒星在不到10亿年的时间里就已经诞生并死亡了,真可谓是昙花一现。

研究人员指出:这次发现的水的确拓展了我们的认知,同时也带来了一些新的问题,那就是当时的恒星和星系是如何在宇宙早期迅速形成的。

第一批恒星的寿命真的非常短,即便人类的望远镜已经足以看到130亿光年外的宇宙,都没有看到这些最原始的恒星。甚至即将发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜,预计能够观测到136亿光年以外,科学家也不认为它能看到第一批恒星。

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(图片说明:詹姆斯·韦伯太空望远镜)

这些恒星不仅本身的寿命短,它们所在的原始星系在生产恒星的速度上,也不是今天的星系所能够比拟的。根据Jarugula的说法,早期星系孕育恒星的速率比银河系高了几千倍。

不仅如此,和其他早期星系相比,SPT0311-58还有它自己的独特之处,那就是拥有着更多的气体和尘埃,这就给了科学家们许多机会来寻找这里的各种分子,了解这些物质在早期宇宙中扮演了怎样的角色。

此外,对于这些气体和尘埃的观测与研究,还能够帮助我们了解当时有多少恒星在形成、气体转化为恒星的速率、星系与其他星系或者星际介质之间有怎样的相互作用等等,这些对于我们了解今天的星系和宇宙的演化有着重要的意义。

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和地外生命有关吗?

我们开篇提到,水被认为是寻找宜居行星和外星生命的重要依据,但在这次研究中,由于距离太远,这些水分子的存在不足以供科学家进行这方面的研究。而且,这些水分子都是存在于星际空间的,而不是存在于某颗行星上的,所以也很难和生命挂上钩。

不过,水能够在这么早期的宇宙就出现,也是相当值得注意的。除了水之外,研究人员还在这里发现了二氧化碳。可以说,这一次的发现打破了科学家以往许多的认知。

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(图片说明:本次研究中发现的化学物质)

总之,和地外生命相比,这一次研究的成果更多地是帮助科学家了解宇宙的早期情况,帮助我们梳理一条时间线,理解宇宙是如何变成今天这个模样的。这对于科学家来说,也同样非常重要。

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