哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的類星體“馬卡良231”。圖片來源：美國國家航空航天局
在距地球5.6億光年的類星體“馬卡良231”內(nèi)，中外科學(xué)家聯(lián)手首次發(fā)現(xiàn)了氧氣。這是人類天文學(xué)家首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣的蹤跡，也是迄今為止在太陽系外探測到最多的氧氣。近日，這項(xiàng)研究發(fā)表于國際期刊《天體物理學(xué)》上。
論文第一作者、中國科學(xué)院上海天文臺研究員王均智表示，氧氣是對宇宙星際空間中物質(zhì)演化十分重要的一種分子，這次銀河系外氧氣的發(fā)現(xiàn)，有助于我們進(jìn)一步加深對宇宙物質(zhì)組成的認(rèn)識，對于星際介質(zhì)中氧氣的形成和消耗的相關(guān)理論提出了挑戰(zhàn)，也很可能為天文學(xué)家研究宇宙中超大質(zhì)量黑洞對宿主星系的反饋等提供新的工具。但發(fā)現(xiàn)氧氣并不代表發(fā)現(xiàn)適宜生命體產(chǎn)生的環(huán)境。
人類在銀河系外首次捕捉到氧氣射線
在宇宙中，氧這一元素普遍存在，它是在氫和氦之后宇宙中第三大最常見的元素。對于宇宙中氧的探測，有助于天文學(xué)家加深對宇宙中各類物質(zhì)演化的認(rèn)識，揭示更多奧秘。
王均智介紹，觀測銀河系內(nèi)外遙遠(yuǎn)之處是否有氧氣，目前的手段是依靠射電望遠(yuǎn)鏡。氧氣在宇宙中會發(fā)射出特定頻率的光譜，地球上的射電望遠(yuǎn)鏡可以捕捉到這些微弱的信號，由此辨認(rèn)氧分子的存在，“這就猶如通過指紋辨認(rèn)人的身份”。
此前，天文學(xué)家曾認(rèn)為氧氣在恒星間的空間內(nèi)普遍存在，但僅在銀河系內(nèi)兩顆恒星形成云團(tuán)——獵戶座星云和蛇夫座星云內(nèi)觀測到氧氣。此次，研究小組利用位于西班牙和法國的射電望遠(yuǎn)鏡，將研究目光投向大熊星座內(nèi)離地球最近的類星體“馬卡良231”。在這個星系內(nèi)，氣體圍繞著一顆超大質(zhì)量黑洞高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱，發(fā)出明亮的光。最終，研究組捕捉到了2.52毫米波長的射線，這是氧氣存在的標(biāo)志。
為了證明這些射線源于氧氣，研究人員對比了許多能發(fā)出與檢測到波長相似的分子，發(fā)現(xiàn)除氧氣外，其他任何一種分子都未曾在太空中出現(xiàn)過。“因此，我們基本可以說，這是人類首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣。”
或可成為研究宇宙超大質(zhì)量黑洞等天體的新工具
此前，天文學(xué)家僅僅在獵戶座星云和蛇夫座星云內(nèi)兩次探測到氧氣，經(jīng)過計算，其氧氣數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本次在大熊星座的發(fā)現(xiàn)。
為何在星體和星體之間的星際空間中，氧氣如此難以發(fā)現(xiàn)？天文學(xué)家普遍認(rèn)為，在星際空間中氧原子被水分子以水冰的形式“凍結(jié)”在塵埃顆粒上。但在一些星云里，明亮的新生恒星發(fā)出的沖擊波會將水冰從塵埃上剝離，將氧原子“解救”出來形成氧氣。因此，王均智認(rèn)為，觀測到氧氣，也可以成為側(cè)面研究該星云內(nèi)部恒星、黑洞等天體變化的一個工具，特別是研究星系中心超大質(zhì)量黑洞對宿主星系的反饋。
研究團(tuán)隊(duì)成員、美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室天文學(xué)家保羅·戈德史密斯指出，在獵戶座星云內(nèi)，氧氣的數(shù)量很少，僅為氫氣數(shù)量的百萬分之一。而這次在“馬卡良231”內(nèi)，氧氣的比重是獵戶座星云內(nèi)的100倍。由此推測，“馬卡良231”內(nèi)經(jīng)歷了比獵戶座星云更強(qiáng)大的氧氣形成過程。此前研究表明，“馬卡良231”是一個高產(chǎn)的恒星工廠，產(chǎn)生新恒星的速度是銀河系的100倍，每年噴出氣體的總質(zhì)量為700個太陽質(zhì)量，對水冰的沖擊波更為活躍。此次氧氣數(shù)量的發(fā)現(xiàn)，也印證了這一結(jié)論。
此外，研究團(tuán)隊(duì)通過對這個星系中心附近富含分子氣體區(qū)域的氧氣射線觀測，得到了到目前為止銀河系外最好的氧氣所占比重的上限，與此前天文學(xué)家在銀河系內(nèi)探測到的結(jié)果基本一致。
彰顯射電望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)步，離探測宇宙生命體還遠(yuǎn)
搜尋星際空間中的分子，是目前射電天文學(xué)的探索前沿。王均智表示，本次發(fā)現(xiàn)有賴于人類射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步。“氧氣信號十分微弱，從20世紀(jì)80年代開始，有許多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行嘗試，最終都空手而回。近20年來，隨著天文探測等技術(shù)的進(jìn)步以及新望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的建成，我們終于可以探測到比20世紀(jì)弱10倍以上的信號，同時，我們還通過分析選擇了星系‘馬卡良231’，結(jié)果成功探測到氧氣。”
王均智強(qiáng)調(diào)，近年來我國天文望遠(yuǎn)鏡建設(shè)不斷進(jìn)步，大型射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)備“天眼”FAST、上海天文臺65米天馬望遠(yuǎn)鏡以及國際平方公里陣（SKA）項(xiàng)目將為搜尋宇宙中新的復(fù)雜分子特別是與生命相關(guān)的有機(jī)分子，發(fā)揮更為重要的作用。
然而，銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣是否意味著找到了可能適合生命體存在的新環(huán)境？對此，王均智表示，有氧氣不代表一定有生命，在探測到氧氣的星際空間，由于溫度、密度等非常低，也難以有生命體存在。所以這次發(fā)現(xiàn)的價值主要在天文學(xué)意義上，離探測銀河系外生命體還太遠(yuǎn)。“大量探測表明，氧氣在銀河系內(nèi)的占比相對還很低，它的形成和消耗機(jī)制還沒有完全弄清楚，需要天體化學(xué)模型相關(guān)研究的繼續(xù)跟進(jìn)。”
