宇宙中迄今發(fā)現(xiàn)最遙遠(yuǎn)，規(guī)模最大的“水庫(kù)”

水真的是無(wú)處不在。最近兩個(gè)來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)的天文學(xué)家小組各自獨(dú)立找到了宇宙中迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)，規(guī)模最大的“水庫(kù)”。類(lèi)星體是宇宙中觀察到的最明亮，活動(dòng)最劇烈的天體之一，而正是在一顆距離地球約數(shù)百萬(wàn)億公里的類(lèi)星體附近，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了巨大的水汽存在。這里的水汽質(zhì)量約相當(dāng)于地球上全部水量的140萬(wàn)億倍，或者說(shuō)，這些水的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的10萬(wàn)倍。

由于這顆類(lèi)星體距離地球極其遙遠(yuǎn)，其發(fā)出的光要經(jīng)過(guò)120億年才能抵達(dá)地球。因此此次的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所觀測(cè)的這顆類(lèi)星體存在于宇宙僅僅誕生16億年后。馬特?布萊德福德(Matt Bradford)來(lái)自美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)。他說(shuō)：“”這顆類(lèi)星體與眾不同，因?yàn)樗闹茉獯嬖诖罅康乃煞?。這是一個(gè)新的證據(jù)，證明水在宇宙中是到處存在的，即使是在宇宙的極早期環(huán)境中也是如此。布萊德福德領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組在《物理學(xué)通報(bào)》上發(fā)表了他們的結(jié)果。

（這是一幅示意圖，顯示一顆類(lèi)似于APM 08279+5255的類(lèi)星體，其由黑洞驅(qū)動(dòng)。最近天文學(xué)家在其周遭發(fā)現(xiàn)大量水汽成分）

根據(jù)現(xiàn)有理論，類(lèi)星體是由居于其核心部位，正穩(wěn)步吞噬其周遭氣體和塵埃盤(pán)的大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)黑洞吞噬物質(zhì)時(shí)，釋放出強(qiáng)烈的輻射。這兩組天文學(xué)家都對(duì)同一個(gè)類(lèi)星體 APM 08279+5255進(jìn)行了研究，其核心位置存在一個(gè)約為200億倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨型黑洞，其釋放的能量相當(dāng)于太陽(yáng)的1000萬(wàn)億倍。不過(guò)布萊德福德坦言，由于天文學(xué)家們之前便已經(jīng)預(yù)言水分即使在宇宙的早期也應(yīng)當(dāng)存在于宇宙之中，因此這一發(fā)現(xiàn)本身并不出人意料。我們?cè)阢y河系中也檢測(cè)到水汽的存在，盡管它的量?jī)H相當(dāng)于此次觀測(cè)的類(lèi)星體周?chē)?/4000，這是由于銀河系中大部分的水分都以水冰的形式存在，而非水汽。

然而水汽卻是揭示類(lèi)星體本質(zhì)的一個(gè)重要指示要素。就以這次所觀測(cè)的黑洞為例，水汽在其周遭形成了一片寬達(dá)數(shù)百光年的巨大彌漫帶，從天文學(xué)的角度來(lái)看，這說(shuō)明這些水汽的溫度高的異乎尋常，密度高的異乎尋常。盡管事實(shí)上這水汽溫度很低，而其密度更是僅有地球大氣層平均密度的300萬(wàn)億分之一，但其溫度仍然比類(lèi)似銀河系這樣的普通星系高出5倍，密度則高出10~100倍。水汽僅是在類(lèi)星體周?chē)l(fā)現(xiàn)的多種氣體成分之一，并且它的存在也表明類(lèi)星體正以X射線(xiàn)和紅外線(xiàn)兩個(gè)波段的輻射不斷“轟擊”著這些氣體成分。

水汽和這些輻射之間的相互作用可以被觀察到，并且用以推斷這些氣體的性質(zhì)以及類(lèi)星體對(duì)其施加了何種影響。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)水汽的分析，可以了解類(lèi)星體的輻射對(duì)于其余氣體成分的加熱情況如何。另外，通過(guò)對(duì)水汽和其它氣體分子，如一氧化碳?xì)怏w分子的研究，確認(rèn)這一類(lèi)星體核心的黑洞仍將有足夠的“食物來(lái)源”，足以供應(yīng)它成長(zhǎng)為現(xiàn)有質(zhì)量6倍的龐然大物。但是天文學(xué)家們也表示究竟這種情形是否會(huì)最終出現(xiàn)還無(wú)法確定，這是因?yàn)檫@些氣體在被吞噬之前有可能已經(jīng)冷凝稱(chēng)顆粒并進(jìn)一步吸積形成行星或被拋射出了類(lèi)星體周遭的軌道而散失了。

布萊德福德的小組在2008年進(jìn)行了他們的觀測(cè)，使用的是位于夏威夷莫納克亞山頂?shù)募又堇砉?strong>毫米波天文臺(tái)(CSO)10米望遠(yuǎn)鏡上的Z-Spec設(shè)備。Z-Spec是一種高度靈敏的光譜儀，它在工作時(shí)必須被冷卻到僅有絕對(duì)零度以上0.06度。這臺(tái)設(shè)備此次觀測(cè)時(shí)使用的波段是一個(gè)被稱(chēng)為“毫米帶”的光譜區(qū)域，它介于紅外和微波波段之間。之所以這次能發(fā)現(xiàn)水汽的光譜，便是得益于這一設(shè)備的光譜覆蓋范圍要比之前使用的設(shè)備寬10倍以上。隨后科學(xué)家們使用位于美國(guó)南卡羅來(lái)納州的“毫米波天文學(xué)聯(lián)合研究陣列”(CARMA)射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了確認(rèn)觀測(cè)。

天文學(xué)家們表示，這一發(fā)現(xiàn)凸顯了在毫米和亞毫米波段進(jìn)行觀測(cè)的價(jià)值。在過(guò)去的二三十年間，這一波段的觀測(cè)設(shè)備和技術(shù)飛速發(fā)展，而為了達(dá)成這一波段觀測(cè)的全部潛力，科學(xué)家們(包括加州理工的，做出此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家們)正在致力于研究一種名為“CCAT”的新型設(shè)備——在南美洲智利的阿塔卡瑪沙漠中修建一臺(tái)直徑達(dá)25米的射電望遠(yuǎn)鏡。第二個(gè)研究小組由加州理工的達(dá)利烏斯?里斯(Dariusz Lis)博士領(lǐng)導(dǎo)，他是加州理工的授，同時(shí)也是亞毫米波天文臺(tái)(CSO)副主管。他們使用法國(guó)位于阿爾卑斯山上的射電望遠(yuǎn)鏡做出了同樣的發(fā)現(xiàn)。在2010年，里斯的小組在類(lèi)星體APM 08279+5255周遭尋找氟化氫的光譜信號(hào)，未料卻無(wú)心插柳地發(fā)現(xiàn)了水汽的信號(hào)。這一信號(hào)和水從高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)釋放的輻射信號(hào)相符。不過(guò)里斯的小組僅僅是在一個(gè)單獨(dú)的頻率上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)的水汽信號(hào)，而得益于更寬波譜覆蓋的Z-Spec設(shè)備，布萊德福德小組卻在多個(gè)頻段上找到了水汽存在的信號(hào)。這些數(shù)據(jù)使得布萊德福德小組得以計(jì)算出這一類(lèi)星體周遭其它氣體的性質(zhì)，以及這里分布的水汽的量究竟有多少。