首頁 » 128億光年外!科學家首次發現宇宙深處的水,意味著什麼?

128億光年外!科學家首次發現宇宙深處的水,意味著什麼?
2021/11/08
2021/11/08

在128億光年以外發現水,科學家的發現確實令人感到不可思議。這到底是怎麼做到的?又意味著什麼呢?

128億光年外的水

我們知道,水是一種極其重要的物質,如果沒有水,許多化學反應都是無法進行的。對于生命來說,水就更加重要了。究其原因,也是一樣的,如果沒有水支持的各種生化反應,生命也是無法存活的。

因此,在尋找宇宙中的宜居行星甚至是可能的外星生命信號時,水也被看作是最重要的探測目標,被科學家們「特殊對待」。

但這一次,能夠在128億光年外找到水,確實是令人非常驚訝。

(圖片說明:SPT0311-58星系)

科學家們找到水的地方,是名叫 SPT0311-58的星系,這其實是兩個星系,最早由伊利諾大學厄巴納·香檳分校的科學家在2017年的時候利用位于智利的 阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)發現的。它距離我們極其遙遠,使得這次發現成為了人類迄今為止發現的最遙遠的水分子。

128億光年外,意味著它的光傳播到地球需要128億年,我們今天看到它的模樣,其實是它在128億年前的樣子。

科學家是如何知道這個星系距離我們有多遠的呢?

在物理學上有一種效應,叫作多普勒效應,它指的是波源遠離觀測者時波長被拉長,反之則縮短的現象。路上一輛鳴笛的車從一個人面前經過,鳴笛的音調先升高後降低,就是多普勒效應的體現。宇宙中,遙遠的星系都在遠離我們,它們會從電磁波上體現出多普勒效應,也就是所謂的紅移。通過紅移值,就可以判斷一個星系和我們的距離。

伊利諾大學的天文學家Sreevani Jarugula是本次研究的參與者之一,她介紹說:這個星系是目前已知的擁有高紅移值的最大質量星系,它形成于宇宙非常年輕的時期。

最古老的水

目前來說,科學家通常利用光譜法來尋找宇宙中的水。由于SPT0311-58星系過于遙遠,本次研究還借助了引力透鏡效應將其「放大」,取得了更好的觀測結果。

這個發現令人震驚之處,不僅僅在于其遙遠的距離,時間也是關鍵。根據目前科學家的研究結果,我們的宇宙只有138億年的歷史。我們目前看到的SPT0311-58星系,是它在宇宙大爆炸後僅僅10億年的模樣。

而且,宇宙大爆炸的38億年後,我們的宇宙就進入黑暗時期了,當時宇宙中充滿了中性氫,沒有其他的物質。又經過了幾億年的時間,通過再電離事件,我們的宇宙才形成了各種各樣的天體。

即便在這個時候,宇宙中基本上也只有兩種元素,那就是氫和氦。隨著第一批恒星死亡,發生了超新星爆發這樣的極端事件,才讓更加劇烈的核聚變反應發生,形成了碳、氮、氧甚至更重的化學物質。

水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的,想要出現水,就必須要等到第一批恒星的超新星爆發開始之後才有可能。大家可以算一算,從宇宙大爆炸到宇宙黑暗時代,到再電離時期,再到第一批恒星誕生、演化和死亡,最終才有機會形成水。考慮到這麼複雜而又漫長的過程,這次發現的水分子竟然在宇宙大爆炸後10億年就出現,就顯得確實很特別了。

快速形成的星系與恒星

可以說,這一次發現的水分子,基本上也是宇宙中最古老的一批水分子了。同時,來自美國宇航局的科學家們也感慨于早期恒星生命週期之短暫。宇宙中絕大部分恒星的壽命都在100億年以上,而SPT0311-58中的恒星在不到10億年的時間裡就已經誕生並死亡了,真可謂是曇花一現。

研究人員指出:這次發現的水的確拓展了我們的認知,同時也帶來了一些新的問題,那就是當時的恒星和星系是如何在宇宙早期迅速形成的。

第一批恒星的壽命真的非常短,即便人類的望遠鏡已經足以看到130億光年外的宇宙,都沒有看到這些最原始的恒星。甚至即將發射升空的 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,預計能夠觀測到136億光年以外,科學家也不認為它能看到第一批恒星。

(圖片說明:詹姆斯·韋伯太空望遠鏡)

這些恒星不僅本身的壽命短,它們所在的原始星系在生產恒星的速度上,也不是今天的星系所能夠比擬的。根據Jarugula的說法,早期星系孕育恒星的速率比銀河系高了幾千倍。

不僅如此,和其他早期星系相比,SPT0311-58還有它自己的獨特之處,那就是擁有著更多的氣體和塵埃,這就給了科學家們許多機會來尋找這裡的各種分子,瞭解這些物質在早期宇宙中扮演了怎樣的角色。

此外,對于這些氣體和塵埃的觀測與研究,還能夠幫助我們瞭解當時有多少恒星在形成、氣體轉化為恒星的速率、星系與其他星系或者星際介質之間有怎樣的相互作用等等,這些對于我們瞭解今天的星系和宇宙的演化有著重要的意義。

和地外生命有關嗎?

我們開篇提到,水被認為是尋找宜居行星和外星生命的重要依據,但在這次研究中,由于距離太遠,這些水分子的存在不足以供科學家進行這方面的研究。而且,這些水分子都是存在于星際空間的,而不是存在于某顆行星上的,所以也很難和生命掛上鉤。

不過,水能夠在這麼早期的宇宙就出現,也是相當值得注意的。除了水之外,研究人員還在這裡發現了二氧化碳。可以說,這一次的發現打破了科學家以往許多的認知。

(圖片說明:本次研究中發現的化學物質)

總之,和地外生命相比,這一次研究的成果更多地是幫助科學家瞭解宇宙的早期情況,説明我們梳理一條時間線,理解宇宙是如何變成今天這個模樣的。這對于科學家來說,也同樣非常重要。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論