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近日，在距地球5.6億光年的“馬卡良231”(Markarian 231)星系內(nèi)，中外科學(xué)家聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了氧氣。據(jù)悉，這是人類首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，也是迄今為止在太陽系外探測到氧氣最多的一次。日前，此研究成果發(fā)表于《天體物理學(xué)》雜志。

這一驚人的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了大量關(guān)注。“馬卡良231”星系是什么?天文學(xué)家是如何在“馬卡良231”中發(fā)現(xiàn)氧氣的?此次發(fā)現(xiàn)是否代表著在銀河系外找到了適宜生命產(chǎn)生的環(huán)境?

氧原子從撕裂的水冰中逃脫

“馬卡良231”位于大熊星座，距地球約5.6億光年，是亞美尼亞布拉堪天文臺于1969年的紫外線輻射巡天項目中發(fā)現(xiàn)的星系。“馬卡良231”屬于塞弗特(Syfert)星系，這是一類中心有明亮恒星狀天體的旋渦星系。“馬卡良231”星系內(nèi)，氣體圍繞一顆超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)并變得很熱，發(fā)出明亮光芒。

2015年，天文學(xué)家推測“馬卡良231”的中央可能是一個二元黑洞，兩個超大質(zhì)量的黑洞以極快的速度相互旋轉(zhuǎn)。“馬卡良231”內(nèi)部包含了人類已知最近的類星體。而且，由于該星系內(nèi)核十分活躍，它內(nèi)部產(chǎn)生的連續(xù)脈沖驅(qū)動分子快速向外流動(類似于分子云的水釋放氧氣的過程)。據(jù)悉，這是天文學(xué)家在“馬卡良231”星系尋找氧氣的重要原因。

氧在宇宙中的豐度僅次于氫和氦。此前，天文學(xué)家曾認(rèn)為分子氧在恒星間的空間內(nèi)普遍存在，但一直未有證據(jù)表明銀河系外也有氧氣。天文學(xué)家解釋到，星際間缺乏氧氣是由于氧原子和水分子凍結(jié)在塵埃顆粒上，致使氧氣被“鎖住”。

當(dāng)然，這并不意味著我們沒有探測到氧氣的可能。天文學(xué)家表示，在孕育恒星的搖籃中，新生恒星的沖擊可以讓塵埃中的水冰撕裂，進(jìn)而釋放氧原子并最終形成氧分子。此前，天文學(xué)家在銀河系內(nèi)的獵戶座星云和蛇夫座星云都探測到過氧氣。

經(jīng)過科學(xué)家計算，獵戶座星云和蛇夫座星云內(nèi)的氧氣數(shù)量遠(yuǎn)低于本次在大熊星座發(fā)現(xiàn)的氧氣。在獵戶座星云內(nèi)，氧氣的數(shù)量僅為氫氣數(shù)量的百萬分之一。而在“馬卡良231”內(nèi)，氧氣比重是獵戶座星云內(nèi)氧氣比重的100倍。天文學(xué)家推測，“馬卡良231”內(nèi)經(jīng)歷了比獵戶座星云更強(qiáng)大的氧氣形成過程。

射電望遠(yuǎn)鏡捕捉微弱氧分子信號

那么天文學(xué)家是如何探測到氧氣存在的信號呢?

上述研究論文第一作者、中國科學(xué)院上海天文臺研究員王均智介紹，觀測銀河系內(nèi)外遙遠(yuǎn)之處是否有氧氣，目前的手段是依靠射電望遠(yuǎn)鏡探尋“氧氣留下的指紋”。天文學(xué)家解釋到，因為氧氣在宇宙中會發(fā)射出特定頻率光譜，地球上的射電望遠(yuǎn)鏡可以捕捉到這些信號，由此辨認(rèn)氧分子的存在。據(jù)媒體報導(dǎo)，研究小組利用位于西班牙和法國的射電望遠(yuǎn)鏡，將目光投向“馬卡良231”。最終，他們捕捉到了2.52毫米波長的射線，這是氧氣存在的標(biāo)志。

為進(jìn)一步證明這的確是氧氣發(fā)出的射線，研究人員對比了許多能發(fā)出相似波長的分子。最后發(fā)現(xiàn)，除氧氣外，其他任何一種分子都未曾在附近空間出現(xiàn)過。“因此，我們基本可以說，這是人類首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣。”王均智表示。

專家稱，本次發(fā)現(xiàn)有賴于射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的不斷進(jìn)步。“氧氣發(fā)出的信號十分微弱，從20世紀(jì)80年代開始，有許多研究團(tuán)隊進(jìn)行過嘗試，最終都空手而歸。近20年來，隨著天文探測等技術(shù)的進(jìn)步以及新望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的建成，我們終于可以探測到那些原本我們‘看不到’的微弱信號。同時，我們還通過詳細(xì)分析選擇了‘馬卡良231’星系，最終成功探測到氧氣。”王均智解釋道。

近年來，我國天文望遠(yuǎn)鏡建設(shè)不斷進(jìn)步，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)、中國科學(xué)院上海天文臺65米天馬望遠(yuǎn)鏡以及國際平方公里陣(SKA)項目為搜尋宇宙中的復(fù)雜分子，特別是與生命相關(guān)的有機(jī)分子，發(fā)揮著重要的作用。

王均智表示，銀河系外星系中氧氣發(fā)出的信號，在具有一定紅移的前提下，由于多普勒效應(yīng)，可以穿透地球大氣，進(jìn)而通過地面大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)備進(jìn)行探測。

最新研究合作者、FAST首席科學(xué)家李菂表示：“搜尋星際分子，特別是氧氣這種對于天體生命學(xué)和星際物質(zhì)演化至關(guān)重要的分子，是射電天文學(xué)的重要前沿。”

發(fā)現(xiàn)氧氣不代表發(fā)現(xiàn)生命跡象

在人們的想象中，外星生命與人一樣，需要水和氧氣，宜人的氣候和溫度，以及穩(wěn)定的地理環(huán)境等條件才能生存。因此，每當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中某處的環(huán)境條件與人類生存的某項條件對應(yīng)時，人們就會猜測并期待這個地方是否有外星生命存在。但結(jié)果往往事與愿違。

天文學(xué)家表示，在地球以外物質(zhì)的光譜中發(fā)現(xiàn)有氧氣、水等條件存在的跡象，也不能就此斷言其所處的環(huán)境中一定存在著生命。看不到這些“標(biāo)志物”，也未必沒有存在生命的可能性。因為生命本身很復(fù)雜，適宜生命存在的條件也沒有絕對標(biāo)準(zhǔn)。

專家表示，發(fā)現(xiàn)氧氣并不代表發(fā)現(xiàn)適宜生命體產(chǎn)生的環(huán)境。在探測到氧氣的星際空間，由于溫度、密度等非常低，也難以有生命體存在。

美國華盛頓州立大學(xué)天體生物學(xué)家舒爾茨·馬庫什指出：“在地球上，我們對不同生命體生理功能的研究也只是略懂皮毛，僅目前已知的信息就令人驚奇不已了。可以想像，宇宙中其他星球上可能存在的生命體一定會更加令人震驚。只有發(fā)現(xiàn)外星生物以及另一個生物圈后，我們才能對這些遐想進(jìn)行檢驗。”

那么，此次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣有何意義呢?

王均智稱，此次發(fā)現(xiàn)的價值主要在天文學(xué)意義上。在“馬卡良231”觀測到氧氣，可以成為側(cè)面研究該星云內(nèi)部恒星、黑洞等天體變化的一個工具，特別是研究星系中心超大質(zhì)量黑洞對宿主星系的反饋。氧氣是宇宙星際空間中物質(zhì)演化十分重要的一種分子，這次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，有助于進(jìn)一步加深對宇宙物質(zhì)組成的認(rèn)識，對于星際介質(zhì)中氧氣的形成和消耗等相關(guān)理論提出了挑戰(zhàn)。

“此次研究是科學(xué)家首次在銀河系外發(fā)現(xiàn)氧氣，但氧氣在星際空間的含量為何普遍遠(yuǎn)低于預(yù)期仍是未解之謎。”李菂坦言。

天文學(xué)家表示，大量探測表明，氧氣在銀河系內(nèi)的占比相對較低，我們還沒有完全弄清楚它的形成和消耗機(jī)制，需要天體化學(xué)模型相關(guān)研究的繼續(xù)跟進(jìn)。對于宇宙中氧的探測，能夠幫助天文學(xué)家加深對宇宙的理解，以此揭示宇宙中更多的奧秘。