在128億光年以外發(fā)現(xiàn)水，科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)確實令人感到不可思議。這到底是怎么做到的？又意味著什么呢？
128億光年外的水
我們知道，水是一種極其重要的物質(zhì)，如果沒有水，許多化學(xué)反應(yīng)都是無法進(jìn)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(yīng)，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(biāo)，被科學(xué)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(xué)家們找到水的地方，是名叫SPT0311-58的星系，這其實是兩個星系，最早由伊利諾伊大學(xué)厄巴納·香檳分校的科學(xué)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(fā)現(xiàn)的。它距離我們極其遙遠(yuǎn)，使得這次發(fā)現(xiàn)成為了人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)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(xué)家是如何知道這個星系距離我們有多遠(yuǎn)的呢？
在物理學(xué)上有一種效應(yīng)，叫作多普勒效應(yīng)，它指的是波源遠(yuǎn)離觀測者時波長被拉長，反之則縮短的現(xiàn)象。路上一輛鳴笛的車從一個人面前經(jīng)過，鳴笛的音調(diào)先升高后降低，就是多普勒效應(yīng)的體現(xiàn)。宇宙中，遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們，它們會從電磁波上體現(xiàn)出多普勒效應(yīng)，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。
伊利諾伊大學(xué)的天文學(xué)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(zhì)量星系，它形成于宇宙非常年輕的時期。
（圖片說明：紅移示意圖）
目前來說，科學(xué)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(yuǎn)，本次研究還借助了引力透鏡效應(yīng)將其“放大”，取得了更好的觀測結(jié)果。
這個發(fā)現(xiàn)令人震驚之處，不僅僅在于其遙遠(yuǎn)的距離，時間也是關(guān)鍵。根據(jù)目前科學(xué)家的研究結(jié)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，是它在宇宙大爆炸后僅僅10億年的模樣。
而且，宇宙大爆炸的38億年后，我們的宇宙就進(jìn)入黑暗時期了，當(dāng)時宇宙中充滿了中性氫，沒有其他的物質(zhì)。又經(jīng)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(fā)生了超新星爆發(fā)這樣的極端事件，才讓更加劇烈的核聚變反應(yīng)發(fā)生，形成了碳、氮、氧甚至更重的化學(xué)物質(zhì)。
水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的，想要出現(xiàn)水，就必須要等到第一批恒星的超新星爆發(fā)開始之后才有可能。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(jī)會形成水。考慮到這么復(fù)雜而又漫長的過程，這次發(fā)現(xiàn)的水分子竟然在宇宙大爆炸后10億年就出現(xiàn)，就顯得確實很特別了。
可以說，這一次發(fā)現(xiàn)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(xué)家們也感慨于早期恒星生命周期之短暫。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10億年的時間里就已經(jīng)誕生并死亡了，真可謂是曇花一現(xiàn)。
研究人員指出：這次發(fā)現(xiàn)的水的確拓展了我們的認(rèn)知，同時也帶來了一些新的問題，那就是當(dāng)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(yuǎn)鏡已經(jīng)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(fā)射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計能夠觀測到136億光年以外，科學(xué)家也不認(rèn)為它能看到第一批恒星。
（圖片說明：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(chǎn)恒星的速度上，也不是今天的星系所能夠比擬的。根據(jù)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(xué)家們許多機(jī)會來尋找這里的各種分子，了解這些物質(zhì)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，還能夠幫助我們了解當(dāng)時有多少恒星在形成、氣體轉(zhuǎn)化為恒星的速率、星系與其他星系或者星際介質(zhì)之間有怎樣的相互作用等等，這些對于我們了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(guān)嗎？
我們開篇提到，水被認(rèn)為是尋找宜居行星和外星生命的重要依據(jù)，但在這次研究中，由于距離太遠(yuǎn)，這些水分子的存在不足以供科學(xué)家進(jìn)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，水能夠在這么早期的宇宙就出現(xiàn)，也是相當(dāng)值得注意的。除了水之外，研究人員還在這里發(fā)現(xiàn)了二氧化碳?？梢哉f，這一次的發(fā)現(xiàn)打破了科學(xué)家以往許多的認(rèn)知。
（圖片說明：本次研究中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì)）
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(xué)家了解宇宙的早期情況，幫助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(xué)家來說，也同樣非常重要。
