128亿光年外！科学家首次发现宇宙深处的水，意味着什么？

在128亿光年以外发现水，科学家的发现确实令人感到不可思议。这到底是怎么做到的？又意味着什么呢？
128亿光年外的水
我们知道，水是一种极其重要的物质，如果没有水，许多化学反应都是无法进行的。对于生命来说，水就更加重要了。究其原因，也是一样的，如果没有水支持的各种生化反应，生命也是无法存活的。

因此，在寻找宇宙中的宜居行星甚至是可能的外星生命信号时，水也被看作是最重要的探测目标，被科学家们“特殊对待”。

但这一次，能够在128亿光年外找到水，确实是令人非常惊讶。
（图片说明：SPT0311-58星系）
科学家们找到水的地方，是名叫SPT0311-58的星系，这其实是两个星系，最早由伊利诺伊大学厄巴纳·香槟分校的科学家在2017年的时候利用位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）发现的。它距离我们极其遥远，使得这次发现成为了人类迄今为止发现的最遥远的水分子。

128亿光年外，意味着它的光传播到地球需要128亿年，我们今天看到它的模样，其实是它在128亿年前的样子。

科学家是如何知道这个星系距离我们有多远的呢？
在物理学上有一种效应，叫作多普勒效应，它指的是波源远离观测者时波长被拉长，反之则缩短的现象。路上一辆鸣笛的车从一个人面前经过，鸣笛的音调先升高后降低，就是多普勒效应的体现。宇宙中，遥远的星系都在远离我们，它们会从电磁波上体现出多普勒效应，也就是所谓的红移。通过红移值，就可以判断一个星系和我们的距离。

伊利诺伊大学的天文学家Sreevani Jarugula是本次研究的参与者之一，她介绍说：这个星系是目前已知的拥有高红移值的最大质量星系，它形成于宇宙非常年轻的时期。

（图片说明：红移示意图）
最古老的水
目前来说，科学家通常利用光谱法来寻找宇宙中的水。由于SPT0311-58星系过于遥远，本次研究还借助了引力透镜效应将其“放大”，取得了更好的观测结果。

这个发现令人震惊之处，不仅仅在于其遥远的距离，时间也是关键。根据目前科学家的研究结果，我们的宇宙只有138亿年的历史。我们目前看到的SPT0311-58星系，是它在宇宙大爆炸后仅仅10亿年的模样。

而且，宇宙大爆炸的38亿年后，我们的宇宙就进入黑暗时期了，当时宇宙中充满了中性氢，没有其他的物质。又经过了几亿年的时间，通过再电离事件，我们的宇宙才形成了各种各样的天体。
即便在这个时候，宇宙中基本上也只有两种元素，那就是氢和氦。随着第一批恒星死亡，发生了超新星爆发这样的极端事件，才让更加剧烈的核聚变反应发生，形成了碳、氮、氧甚至更重的化学物质。

水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的，想要出现水，就必须要等到第一批恒星的超新星爆发开始之后才有可能。大家可以算一算，从宇宙大爆炸到宇宙黑暗时代，到再电离时期，再到第一批恒星诞生、演化和死亡，最终才有机会形成水。考虑到这么复杂而又漫长的过程，这次发现的水分子竟然在宇宙大爆炸后10亿年就出现，就显得确实很特别了。

快速形成的星系与恒星

可以说，这一次发现的水分子，基本上也是宇宙中最古老的一批水分子了。同时，来自美国宇航局的科学家们也感慨于早期恒星生命周期之短暂。宇宙中绝大部分恒星的寿命都在100亿年以上，而SPT0311-58中的恒星在不到10亿年的时间里就已经诞生并死亡了，真可谓是昙花一现。

研究人员指出：这次发现的水的确拓展了我们的认知，同时也带来了一些新的问题，那就是当时的恒星和星系是如何在宇宙早期迅速形成的。

第一批恒星的寿命真的非常短，即便人类的望远镜已经足以看到130亿光年外的宇宙，都没有看到这些最原始的恒星。甚至即将发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，预计能够观测到136亿光年以外，科学家也不认为它能看到第一批恒星。

（图片说明：詹姆斯·韦伯太空望远镜）
这些恒星不仅本身的寿命短，它们所在的原始星系在生产恒星的速度上，也不是今天的星系所能够比拟的。根据Jarugula的说法，早期星系孕育恒星的速率比银河系高了几千倍。

不仅如此，和其他早期星系相比，SPT0311-58还有它自己的独特之处，那就是拥有着更多的气体和尘埃，这就给了科学家们许多机会来寻找这里的各种分子，了解这些物质在早期宇宙中扮演了怎样的角色。

此外，对于这些气体和尘埃的观测与研究，还能够帮助我们了解当时有多少恒星在形成、气体转化为恒星的速率、星系与其他星系或者星际介质之间有怎样的相互作用等等，这些对于我们了解今天的星系和宇宙的演化有着重要的意义。

和地外生命有关吗？
我们开篇提到，水被认为是寻找宜居行星和外星生命的重要依据，但在这次研究中，由于距离太远，这些水分子的存在不足以供科学家进行这方面的研究。而且，这些水分子都是存在于星际空间的，而不是存在于某颗行星上的，所以也很难和生命挂上钩。

不过，水能够在这么早期的宇宙就出现，也是相当值得注意的。除了水之外，研究人员还在这里发现了二氧化碳。可以说，这一次的发现打破了科学家以往许多的认知。
（图片说明：本次研究中发现的化学物质）
总之，和地外生命相比，这一次研究的成果更多地是帮助科学家了解宇宙的早期情况，帮助我们梳理一条时间线，理解宇宙是如何变成今天这个模样的。这对于科学家来说，也同样非常重要。

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