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news.sciencenet.cn 2026/7/24 9:33
地球之水哪里�?星際冰圖告訴你
水是生命之源。地球上的水從何而來?答案可能藏在銀河系最寒冷、最黑暗的地�——那些被氣體和�?;\罩的恒星搖籃�。近�,美國國家航空航天局的SPHEREx空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)�(duì)在《天體物理學(xué)雜志》上�(fā)表一�(xiàng)成果:在天鵝座X等恒星形成區(qū),探�(cè)到延展超600光年的廣闊冰區(qū)。這是人類首次繪制出銀河系�(guī)模空前的星際冰分布圖,為回答“行星上的水最初從哪里�”提供了關(guān)鍵線�——水可能早已以冰的形式存在于星際空�,并隨著恒星和行星的誕生,被帶入新生的行星系�(tǒng)�
SPHEREx全稱�“宇宙歷史、宇宙再電離與冰探測(cè)分光光度�(jì)”,是一�(tái)專門�(jìn)行紅外巡天的空間望遠(yuǎn)�。簡(jiǎn)單來�,它是一�(tái)能給宇宙“分色”的太空相�(jī)。普通相�(jī)主要通過�、綠、藍(lán)三原色記錄色彩,而SPHEREx能同�(shí)記錄102種紅�“顏色”。它�2025�3月發(fā)�,運(yùn)行在太陽同步極地軌道�,每天拍攝約3600張圖�。很多人�(huì)把它與詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡相比較。韋布像一�(tái)“超高清顯微鏡”,能�(duì)某�(gè)小天區(qū)�(jìn)行極深度、極精細(xì)的觀�(cè);SPHEREx則更像一�(tái)“廣角相機(jī)”,可以系�(tǒng)性掃描整�(gè)太空,效率極�??梢哉f,韋布負(fù)�(zé)看清�(xì)節(jié),SPHEREx�(fù)�(zé)看清大局�
星際空間的水絕大多數(shù)以固�(tài)冰的形式存在。恒星形成區(qū)的分子云溫度極低,通常只有零下260攝氏度左�。水分子�(huì)像冬天窗戶上的霜花一�,凍�(jié)在微小星際塵埃表面,形成一層層薄薄�“冰衣”。星際冰的探�(cè)依賴紅外光譜技�(shù),可以理解為一�“化學(xué)指紋�(shí)�”:不同冰分子�(huì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,比如水冰在3.0微米處留下吸收痕�,二氧化碳冰�4.27微米�,一氧化碳冰�4.67微米處。SPHEREx�102�(gè)紅外波段正好完整覆蓋了這些�(guān)鍵波�(zhǎng)。研究團(tuán)�(duì)最初以為只能依靠遙�(yuǎn)的背景恒星作�“手電�”——恒星的光穿過分子�,冰吸收一部分�,從而留下信�(hào)。但觀�(cè)�(fā)�(xiàn),連星際空間彌漫的背景輻射也攜帶著冰的信息。這一突破使SPHEREx能夠以前所未有的廣度繪制出冰的分布��
在天鵝座X區(qū)�,科�(xué)家發(fā)�(xiàn)了一�(gè)�(guī)律:哪里塵埃最密集,哪里冰就最�。最高的冰濃度出�(xiàn)在分子云最致密的核心區(qū)——科學(xué)家將這類延綿�(shù)百光年的�(jié)�(gòu)稱為“星際冰川”。為什么會(huì)這樣?在極度寒冷的分子云�,氣體分子會(huì)像雪花一樣凝�(jié)在塵埃顆粒表面形成冰膜。而最致密的云核就像厚�(shí)�“棉被”,能遮擋來自新生恒星的強(qiáng)烈紫外線。沒有這層遮擋,紫外線就會(huì)像太陽曬化冰塊一�,把這些冰分解掉。所�,致密的塵埃�(huán)境既是冰�“加工�”,也是它�“保護(hù)�”。SPHEREx的廣域視角還使得不同�(huán)境條件下的比較成為可能:水冰、二氧化碳冰和一氧化碳冰的相�(duì)豐度�(huì)隨塵埃溫度和紫外輻射�(qiáng)度而變�,這為研究不同冰的形成路徑提供了線��
這張冰的分布圖的意義直接�(guān)系到行星上水的來源。當(dāng)一�(tuán)分子云在自身引力作用下坍縮時(shí),中心會(huì)形成新恒�,周圍剩余的物質(zhì)則在收縮過程中越�(zhuǎn)越快,最終形成一�(gè)旋轉(zhuǎn)的圓�——原行星盤。盤里那些裹著冰膜的塵埃顆粒,攜帶著�、氧、碳等生命必需元素,構(gòu)成了彗星、小行星和行星的原始原料。沒有水,就沒有海洋;沒有碳,就沒有有機(jī)分子,也就沒有生命的基礎(chǔ)。SPHEREx繪制的冰圖譜,正是在�(cè)量銀河系中這些原料的儲(chǔ)�,表明地球上浩瀚的海洋、彗星上冰封的物�(zhì),很可能就來自這類星際冰區(qū)�
SPHEREx的任�(wù)仍在繼續(xù)。它�6�(gè)月完成一次全天掃描,�(yù)�(jì)兩年�(nèi)完成4次巡�。隨著多次掃描數(shù)�(jù)的疊�,信�(hào)將愈�(fā)清晰,科�(xué)家能夠探�(cè)到更遙遠(yuǎn)、更微弱的冰信號(hào)。SPHEREx的全天光譜圖將努力幫助回答一系列問題:銀河系�,形成宜居行星所需的水和生命起源所需的有�(jī)分子分布在哪��?jī)?chǔ)量有多少?又是如何被輸送到新生行星系統(tǒng)中的?我們或許正在一步步接近答案�
(作者為中國科學(xué)院大�(xué)天文與空間科�(xué)�(xué)�、國家天文臺(tái)副教授)