【正见新闻网2021年11月08日】
图：ALMA观测到的SPT0311-58照片。右边小图从上到下分别显示了双星系中的尘埃，水分子，以及一氧化碳在三个不同光谱线的分布图。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO)
水是生命之源。要想知道在地球以外宇宙中哪里还有生命，最重要的就是要找到水分子的分布。不为大众所知的是，水分子也是宇宙及星系的成长演化过程中的重要指标，因此科学家非常重视探测水分子在宇宙中的分布。
最近，一组天文学家惊奇发现在宇宙中已知最古老的星系之一竟然也有水分子分布。
利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米望远镜阵列(ALMA)的新观测结果，研究团队在早期宇宙中质量最大的一个星系中发现了水。
编号为SPT0311-58的星系距离地球大约128.8亿光年。研究团队在其中发现了大量水分子和一氧化碳。这表明在早期恒星中形成元素后不久，宇宙中就有大量分子形成。
这项新研究是迄今为止对早期宇宙中一个星系的分子成分的最详细研究。这也是科学家首次在如此遥远的恒星形成星系中探测到水分子。
“使用ALMA对统称为 SPT0311-58 的一对星系中分子气体的高分辨率观测，我们在两个星系中较大的一个星系中检测到了水和一氧化碳分子。尤其是氧和碳是第一代元素，以一氧化碳和水的分子形式存在，正如我们所知，它们对生命至关重要，”论文的主要作者、美国伊利诺伊大学的博士研究生斯里瓦尼·贾鲁古拉(Sreevani Jarugula)在一份声明中说。
SPT0311-58实际上由两个星系组成，在2017年首次被ALMA探测到。由于它离地球非常遥远，它发出的光是在将近128.8亿年前发出的，这个时间的宇宙年龄只有7.8亿年，大约是当前年龄的5%。这个时期在宇宙演化理论中被称为再电离时代，第一批恒星和星系就在这个时代诞生。
研究团队认为，这两个星系可能正在合并，而且它们快速的恒星形成不仅耗尽了它们的星际气体，而且最终可能会将这对星系演化成像同时代宇宙中所见的那样的大质量椭圆星系。
贾鲁古拉补充说：“这个星系是目前已知的最大红移星系，或者说宇宙还很年轻的时候。与早期宇宙中的其它星系相比，它拥有更多的气体和尘埃，这为我们提供了大量潜在机会来观察丰富的分子，并更好了解这些创造生命的元素如何影响早期宇宙的发展。”
尤其是水，它是宇宙中仅次于氢分子和一氧化碳的第三大分子。先前对本地和早期宇宙中星系的研究将水分子的辐射和尘埃的远红外发射相关联。 贾鲁古拉继续说：“尘埃吸收了星系中恒星的紫外线辐射，并将其作为远红外光子重新发射。” “这进一步激发了水分子，从而产生了科学家能够观察到的水分子的辐射。这种相关性可用于使用水分子作为恒星形成的标志，然后可以将其应用于宇宙学尺度上的星系。”
研究宇宙中最早形成的星系有助于科学家更好了解宇宙的诞生、成长和演化，以及其中的一切，包括太阳系和地球。特别是如果水分子的辐射能够指示恒星的诞生，那将对科学家认识恒星是如何形成的以及其系统中是否能孕育生命有重要作用。
贾鲁古拉指出，“早期星系的恒星形成速度是银河系的数千倍。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特性，例如正在形成多少颗恒星、气体转化为恒星的速度、星系如何相互以及与星际介质相互作用等等。“
贾鲁古拉认为关于SPT0311-58和早期宇宙的星系还有很多东西需要了解。“这项研究不仅提供了关于水可以存在于宇宙中的位置和距离的答案，而且还提出了一个大问题：在宇宙的早期，如此多的气体和尘埃是如何聚集形成恒星和星系的？ 这需要对这些和类似的恒星形成星系进行进一步研究，以更好了解早期宇宙的结构形成和演化。”
ALMA项目主任、美国国家科学基金会的乔·佩斯(Joe Pesce)在上述声明中表示：“这一令人兴奋的结果展示了ALMA的力量，增加了对早期宇宙的越来越多的观察。” “这些对地球上的生命很重要的分子正在尽快形成，他们的观察使我们能够洞察与今天大不相同的宇宙的基本过程。”
这项新研究即将发表在《天体物理杂志》上，arXiv网站上有论文的预印本。