在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家在一個遙遠(yuǎn)的星系中發(fā)現(xiàn)了生命存在所需元素的跡象。根據(jù)阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）的最新觀測結(jié)果，天文學(xué)家在早期宇宙最大的星系 SPT0311-58 中發(fā)現(xiàn)了水的蹤跡。
▲ 這幅想象圖顯示了雙星系 SPT0311-58 中的塵埃連續(xù)體，以及一氧化碳和水的分子線。ALMA 的數(shù)據(jù)顯示，在這兩個星系中，較大的那個星系具有豐富的一氧化碳和水，表明在元素最初形成后不久，宇宙中的分子就變得普遍起來
研究人員在這個距離地球近 128.8 億光年的星系中發(fā)現(xiàn)了水和一氧化碳。對這兩種分子的大量探測表明，當(dāng)相關(guān)的元素在早期恒星中形成后不久，其組成的分子就逐漸在宇宙中變得普遍起來。這是迄今為止對早期宇宙中星系的分子氣體含量最詳細(xì)的研究，并且是在最遙遠(yuǎn)的常規(guī)恒星形成星系中探測到水分子。相關(guān)的研究結(jié)果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上。
▲ 這張動圖顯示了早期大質(zhì)量星系 SPT0311-58 中塵埃連續(xù)體以及水和一氧化碳的分子線移動情況。動圖開始是塵埃連續(xù)體與水和一氧化碳分子線的組合；之后是紅色的塵埃連續(xù)體和藍(lán)色的水分子線；一氧化碳的分子線包括粉色和深藍(lán)色的 CO（10-9）、品紅色的 CO（7-6）和紫色的 CO（6-5）
ALMA 的科學(xué)家于 2017 年首次觀測到了 SPT0311-58，這個巨型星系實(shí)際上是由兩個星系組成的。當(dāng)然，科學(xué)家所觀測到的過程真正發(fā)生時，該星系還處于再電離時期，當(dāng)時的宇宙只有 7.8 億年的年齡 —— 大約是如今宇宙年齡的 5%—— 而第一批恒星和星系也正在誕生。科學(xué)家認(rèn)為，這兩個星系可能正在合并，其中快速形成的恒星不僅耗盡了它們的氣體或恒星形成原料，而且最終可能演變成大質(zhì)量的橢圓星系，正如在近域宇宙（Local Universe）中所觀察到的那樣。
“通過對雙星系 SPT0311-58 內(nèi)部分子氣體的高分辨率 ALMA 觀測，我們在其較大的星系中發(fā)現(xiàn)了水分子和一氧化碳分子。特別是氧和碳，它們是第一代元素，并且以一氧化碳和水的分子形式存在，二者對我們目前所知的生命都至關(guān)重要，”美國伊利諾伊大學(xué)的天文學(xué)家、這項(xiàng)新研究的首席研究員斯里瓦尼?賈盧古拉說，“這個星系是目前已知質(zhì)量最大的高紅移星系，即處于宇宙還非常年輕的時期。與早期宇宙中的其他星系相比，它具有更多的氣體和塵埃，這給了我們大量的潛在機(jī)會對其豐富的分子進(jìn)行觀察，并更好地了解這些創(chuàng)造生命的元素如何影響早期宇宙的發(fā)展。”
研究人員尤其關(guān)注水分子，這是宇宙中第三豐富的分子，僅次于氫分子和一氧化碳分子。先前對近域宇宙和早期宇宙中星系的研究，已經(jīng)將水的散發(fā)和塵埃的遠(yuǎn)紅外輻射聯(lián)系起來。“這些塵埃吸收了來自星系中恒星的紫外線輻射，并以遠(yuǎn)紅外光子的形式重新釋放出來，”賈盧古拉說，“這進(jìn)一步激發(fā)了水分子，產(chǎn)生了科學(xué)家能夠觀察到的水釋放信號，從而幫助我們探測到這個巨大星系中的水分子。利用這種相關(guān)性，我們可以將水作為恒星形成的指示信號，進(jìn)而在宇宙尺度上應(yīng)用于其他星系。”
▲ 這些圖像顯示了早期大質(zhì)量星系 SPT0311-58 觀測中所看到的分子線和塵埃連續(xù)體。左圖為合成圖像，結(jié)合了塵埃連續(xù)體與水和一氧化碳的分子線。右側(cè)從上到下分別為塵埃連續(xù)體（紅色）、水分子線（藍(lán)色）、一氧化碳分子線 CO（6-5）（紫色）、CO（7-6）（品紅）和 CO（10-9）（粉色和深藍(lán)色）
研究宇宙中最早形成的星系有助于科學(xué)家更好地了解宇宙及其中萬事萬物，包括太陽系和地球的誕生、成長和進(jìn)化?！霸缙谛窍敌纬珊阈堑乃俣仁倾y河系的數(shù)千倍，”賈盧古拉表示，“研究這些早期星系的氣體和塵埃含量，可以讓我們了解它們的屬性，比如有多少恒星正在形成，氣體轉(zhuǎn)化為恒星的速度，星系與星系以及星系與星際介質(zhì)之間如何相互作用，等等?！?/p>
賈盧古拉還指出，關(guān)于 SPT0311-58 和早期宇宙的星系，目前還有很多問題需要解答。他說：“這項(xiàng)研究不僅為宇宙中哪里存在水，以及這些水距離我們能有多遙遠(yuǎn)等問題提供了答案，而且還提出了一個更大的問題：這么多氣體和塵埃是如何在如此早期的宇宙中聚集形成恒星和星系的？回答這一問題，需要對該星系和類似的恒星形成星系進(jìn)行進(jìn)一步研究，以更好地了解早期宇宙的結(jié)構(gòu)形成和演化?！?/p>
“這個令人興奮的結(jié)果顯示了 ALMA 的力量，增加了我們對早期宇宙的觀測，”美國國家科學(xué)基金會天體物理學(xué)家和 ALMA 項(xiàng)目主任喬?佩謝說，“這些對地球生命至關(guān)重要的分子正在快速形成，對它們的觀察使我們有機(jī)會深入了解一個與今天截然不同的宇宙，以及這個宇宙的基本過程。”
什么是近域宇宙？
近域宇宙是指一個半徑約為 10 億光年的鄰近宇宙區(qū)域，在這個范圍內(nèi)，宇宙演化的影響很小，星系和相關(guān)的天體基本上“凍結(jié)”在它們今天的形態(tài)。
這是宇宙中可以進(jìn)行最詳細(xì)觀測的一部分，因此，我們關(guān)于星系和星系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部演化過程的大部分知識都來自對近域宇宙的研究。此外，近域宇宙學(xué)專注于研究星系的當(dāng)前狀態(tài)，以確定它們是如何形成和演化的。
對于任何成功的星系模型，不僅必須再現(xiàn)高紅移的年輕星系，而且還要再現(xiàn)其演化至今天的產(chǎn)物。研究近域宇宙的基本方法包括將多波長數(shù)據(jù)與理論模型相結(jié)合，從而確定控制星系本質(zhì)的關(guān)鍵物理過程。
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