在一項新研究中，科學家在一個遙遠的星系中發現了生命存在所需元素的跡象。根據阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）的最新觀測結果，天文學家在早期宇宙最大的星系 SPT0311-58 中發現了水的蹤跡。

▲這幅想象圖顯示了雙星系 SPT0311-58 中的塵埃連續體，以及一氧化碳和水的分子線。ALMA 的資料顯示，在這兩個星系中，較大的那個星系具有豐富的一氧化碳和水，表明在元素最初形成後不久，宇宙中的分子就變得普遍起來

研究人員在這個距離地球近 128.8 億光年的星系中發現了水和一氧化碳。對這兩種分子的大量探測表明，當相關的元素在早期恆星中形成後不久，其組成的分子就逐漸在宇宙中變得普遍起來。這是迄今為止對早期宇宙中星系的分子氣體含量最詳細的研究，並且是在最遙遠的常規恆星形成星系中探測到水分子。相關的研究結果發表在《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）上。

▲這張動圖顯示了早期大質量星系 SPT0311-58 中塵埃連續體以及水和一氧化碳的分子線移動情況。動圖開始是塵埃連續體與水和一氧化碳分子線的組合；之後是紅色的塵埃連續體和藍色的水分子線；一氧化碳的分子線包括粉色和深藍色的 CO（10-9）、品紅色的 CO（7-6）和紫色的 CO（6-5）

ALMA 的科學家於 2017 年首次觀測到了 SPT0311-58，這個巨型星系實際上是由兩個星系組成的。當然，科學家所觀測到的過程真正發生時，該星系還處於再電離時期，當時的宇宙只有 7.8 億年的年齡 —— 大約是如今宇宙年齡的 5%—— 而第一批恆星和星系也正在誕生。科學家認為，這兩個星系可能正在合併，其中快速形成的恆星不僅耗盡了它們的氣體或恆星形成原料，而且最終可能演變成大質量的橢圓星系，正如在近域宇宙（Local Universe）中所觀察到的那樣。

“通過對雙星系 SPT0311-58 內部分子氣體的高解析度 ALMA 觀測，我們在其較大的星系中發現了水分子和一氧化碳分子。特別是氧和碳，它們是第一代元素，並且以一氧化碳和水的分子形式存在，二者對我們目前所知的生命都至關重要，”美國伊利諾伊大學的天文學家、這項新研究的首席研究員斯里瓦尼・賈盧古拉說，“這個星系是目前已知質量最大的高紅移星系，即處於宇宙還非常年輕的時期。與早期宇宙中的其他星系相比，它具有更多的氣體和塵埃，這給了我們大量的潛在機會對其豐富的分子進行觀察，並更好地瞭解這些創造生命的元素如何影響早期宇宙的發展。”

研究人員尤其關注水分子，這是宇宙中第三豐富的分子，僅次於氫分子和一氧化碳分子。先前對近域宇宙和早期宇宙中星系的研究，已經將水的散發和塵埃的遠紅外輻射聯絡起來。“這些塵埃吸收了來自星系中恆星的紫外線輻射，並以遠紅外光子的形式重新釋放出來，”賈盧古拉說，“這進一步激發了水分子，產生了科學家能夠觀察到的水釋放訊號，從而幫助我們探測到這個巨大星系中的水分子。利用這種相關性，我們可以將水作為恆星形成的指示訊號，進而在宇宙尺度上應用於其他星系。”

▲這些影象顯示了早期大質量星系 SPT0311-58 觀測中所看到的分子線和塵埃連續體。左圖為合成影象，結合了塵埃連續體與水和一氧化碳的分子線。右側從上到下分別為塵埃連續體（紅色）、水分子線（藍色）、一氧化碳分子線 CO（6-5）（紫色）、CO（7-6）（品紅）和 CO（10-9）（粉色和深藍色）

研究宇宙中最早形成的星系有助於科學家更好地瞭解宇宙及其中萬事萬物，包括太陽系和地球的誕生、成長和進化。“早期星系形成恆星的速度是銀河系的數千倍，”賈盧古拉表示，“研究這些早期星系的氣體和塵埃含量，可以讓我們瞭解它們的屬性，比如有多少恆星正在形成，氣體轉化為恆星的速度，星系與星系以及星系與星際介質之間如何相互作用，等等。”

賈盧古拉還指出，關於 SPT0311-58 和早期宇宙的星系，目前還有很多問題需要解答。他說：“這項研究不僅為宇宙中哪裡存在水，以及這些水距離我們能有多遙遠等問題提供了答案，而且還提出了一個更大的問題：這麼多氣體和塵埃是如何在如此早期的宇宙中聚集形成恆星和星系的？回答這一問題，需要對該星系和類似的恆星形成星系進行進一步研究，以更好地瞭解早期宇宙的結構形成和演化。”

“這個令人興奮的結果顯示了 ALMA 的力量，增加了我們對早期宇宙的觀測，”美國國家科學基金會天體物理學家和 ALMA 專案主任喬・佩謝說，“這些對地球生命至關重要的分子正在快速形成，對它們的觀察使我們有機會深入瞭解一個與今天截然不同的宇宙，以及這個宇宙的基本過程。”

什麼是近域宇宙？

近域宇宙是指一個半徑約為 10 億光年的鄰近宇宙區域，在這個範圍內，宇宙演化的影響很小，星系和相關的天體基本上“凍結”在它們今天的形態。

這是宇宙中可以進行最詳細觀測的一部分，因此，我們關於星系和星系系統結構及其內部演化過程的大部分知識都來自對近域宇宙的研究。此外，近域宇宙學專注於研究星系的當前狀態，以確定它們是如何形成和演化的。

對於任何成功的星系模型，不僅必須再現高紅移的年輕星系，而且還要再現其演化至今天的產物。研究近域宇宙的基本方法包括將多波長資料與理論模型相結合，從而確定控制星系本質的關鍵物理過程。