研究：宇宙中的水在大爆炸后仅 1 亿至 2 亿年就已诞生

IT之家 3 月 13 日消息，生命在宇宙中首次出现的时间一直是科学家们探索的谜题。虽然目前尚无确切答案，但这一问题与水在宇宙中首次出现的时刻密切相关。最新的模拟研究显示，第一代恒星可能在大爆炸后仅 1 亿至 2 亿年就帮助形成了生命之源 —— 水，这一发现将此前的估计向前推进了超过 5 亿年。

“我们惊讶地发现水竟然能够如此早地形成，甚至早于第一批星系的诞生。”阿联酋大学的研究共同作者穆罕默德・拉提夫（Muhammad Latif）在接受 Space.com 采访时表示。研究结果表明，如果这些最初的水储备在早期星系形成的高温混沌中得以幸存，并被新生行星吸收，那么在大爆炸后仅数亿年，就可能出现富含水、适合居住的星球。“这都与宇宙中早期生命起源的故事紧密相连。”拉提夫说。

此前，智利的阿塔卡马大型毫米波 / 亚毫米波阵列（ALMA）的观测结果表明，水在大爆炸后约 7.8 亿年时就已存在。当时，年轻的宇宙充满了轻质的氢和氦，以及少量的锂。这些元素构成了第一代恒星，即天文学家所称的第三星族恒星。这些恒星体型巨大，质量可达太阳的数十倍甚至数百倍，寿命短暂，最终以超新星爆炸的形式结束生命。许多宇宙中的重元素，包括氧，都是在这些恒星内部通过核反应形成的，并在它们死亡时被抛射到太空中，后来被纳入下一代恒星。

据IT之家了解，为了确定水在宇宙中首次形成的时间，拉提夫及其团队利用数值模型追踪了两颗第一代恒星的生命周期：一颗质量是太阳的 13 倍，另一颗则是太阳的 200 倍。较小的虚拟恒星在 1220 万年后以超新星爆炸的形式死亡，向周围空间释放了约 0.051 太阳质量的氧（相当于近 1.7 万个地球质量）。而较大的模拟恒星在仅 260 万年后耗尽燃料，以爆炸的方式结束生命，向宇宙中抛射了高达 55 太阳质量的氧（超过 1800 万个地球质量）。

模拟显示，随着每次超新星爆炸产生的冲击波向外扩散，湍流密度波动形成了涟漪，导致部分气体聚集成密集的团块。这些富含超新星喷射出的金属（包括氧）的团块，可能是早期宇宙中水形成的主要场所。

拉提夫指出，位于云层较密集部分的水会受到保护，免受附近恒星强烈辐射的破坏。然而，他的团队目前只考虑了每个团块中仅形成一颗恒星的最简单情况，而理论模拟表明多星系统才是常态；天空中超过一半的恒星都有一个或多个伴星。多个邻近恒星意味着会有更多富含水的密集团块，但也会产生更多辐射，这“可能会改变一些情况，但我们仍然预计水可能会存活下来”，拉提夫说。“这是我们试图回答的首要问题，但我们还需要更多人参与这一课题，深入探索。”

他的团队后续的模拟研究还表明，这些含有水的团块也是宜居星球形成的有利场所。然而，这些团块中的水是否能够在数十亿年的宇宙演化中持续存在，以及如何持续，目前尚不完全清楚。一种主流理论认为彗星可能将水送到了地球，但拉提夫指出，来自早期宇宙的这类冰质运输者不太可能在再电离纪元的恶劣条件下存活。再电离纪元是大爆炸后约 40 万年时，第一代恒星和星系发出的电离紫外线充斥宇宙，驱散了原始的宇宙迷雾。不过，研究人员尚未排除地球上的水至少有一部分可能是原始起源的可能性。

拉提夫表示，早期宇宙中富含水的行星群体会产生微弱的辐射，这可能在未来十年内被 ALMA 或即将在澳大利亚和南非建成的平方公里阵列望远镜探测到。如果真的观测到这样的辐射，那将是一个“改变游戏规则”的发现，因为这将把生命起源的时间框架推回到大爆炸后仅数亿年。

“这将开辟一个全新的研究领域。”拉提夫说。

该研究于 3 月 3 日发表在《自然・天文学》杂志上。