韦布望远镜首次在银河系外恒星周围探测到冻结态复杂有机分子

IT之家 11 月 9 日消息，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）凭借其卓越的观测能力，首次在银河系以外的星系中、一颗年轻原恒星周围探测到冻结态的复杂有机分子（COMs），实现了天体化学领域的重要突破。

由马里兰大学天文学家玛尔塔・塞维乌（Marta Sewiło）领导的研究团队，利用 JWST 的中红外仪器（MIRI），在大麦哲伦云（Large Magellanic Cloud, LMC）—— 一个距地球约 16.3 万光年的邻近矮星系 —— 中质量较大的原恒星 ST6 周围尘埃颗粒所裹覆的冰层中，探测到大量复杂有机分子。所谓复杂有机分子，一般指含碳且原子总数超过六个的分子，其中许多是构成已知生命基本单元的化学前体。

此次确认存在于 ST6 周围冻结态冰层中的 COMs 包括：乙醛（acetaldehyde）、乙酸（acetic acid）、乙醇（ethanol）、甲醇（methanol）及甲酸甲酯（methyl formate）。在地球上，甲酸甲酯与乙醛是工业常用化学品，甲醇与乙醇属于醇类，乙酸则是食醋的主要成分；而在星际环境中，这些分子更扮演着构建更复杂“第二代”分子（如氨基酸和 RNA 分子）的骨架角色。

此外，JWST 还至少探测到另外 14 种潜在的 COMs 信号，但塞维乌及其合作者目前尚无法明确确认其具体成分。

塞维乌在接受 Space.com 采访时表示：“我们才刚刚开始探索此类环境中复杂有机化学的演化依赖关系。”

JWST 正在恒星乃至行星形成环境的化学研究领域开辟全新疆域。

据IT之家了解，恒星诞生于低温分子气体巨云的碎裂与坍缩过程，形成高密度核心，进而凝聚为恒星。初始阶段，这些核心温度极低（低于 100 开尔文，即绝对零度以上 100 度），复杂有机分子多以冰的形式附着于尘埃颗粒表面；直至核心升温后，冰层才发生升华，将 COMs 以气态形式释放出来。

尽管气态 COMs 此前已在银河系及大麦哲伦云中的多颗年轻恒星周围被多次探测到，例如甲醇与甲酸甲酯的气相形式此前已在 LMC 原恒星周围发现，但其更早期、更低温的冰相形式却极难被观测识别。

塞维乌指出：“JWST 使我们首次得以探测到冰相 COMs；但截至目前，仅在银河系内 4 颗原恒星、以及 LMC 中 1 颗（即 ST6）周围确认了冰相 COMs 的存在。”

在冻结状态下探测 COMs，有助于天文学家评估原恒星周围物质在恒星形成最初阶段的化学演化程度。尤为引人注目的是，这些分子竟出现在 LMC 中一颗年轻大质量原恒星周围，须知，LMC 的物理条件与银河系显著不同：其金属丰度（即氢、氦以外重元素的含量）较低，且紫外辐射场更强。较低的重元素丰度可能影响 COMs 的丰度，而更强的紫外辐射则可能调控化学反应速率。

因此，对 LMC 中有机化学过程的理解，亦可为研究早期宇宙的有机化学演化提供线索，尤其有助于揭示生命基本构建单元究竟在宇宙诞生后多久便已具备形成条件，从而为“生命在宇宙中可能最早出现的时间”提供理论约束。

观测结果表明，LMC 较低的金属丰度确实影响了 ST6 周围 COMs 的丰度。塞维乌表示：“除乙酸外，ST6 周围所有已测 COMs 相对于水冰的丰度均低于银河系中 4 颗原恒星的测量值 —— 这与预期一致。而乙酸冰的丰度异常偏高，很可能源于 LMC 更强的紫外辐射通量。”

在 ST6 光谱中至少 14 条未识别吸收线中，可能存在乙醇醛（glycolaldehyde）—— 它是核糖（RNA 分子的重要组分）的化学前驱体。

塞维乌解释道：“我们发现若干未证认吸收特征可能归属乙醇醛，但目前尚无法定论，因尚需更多实验室光谱数据加以验证。”她所指的是，天体光谱需与实验室中不同分子的标准光谱进行比对，方能逐一归属吸收线对应的具体分子种类。

“很可能还有更多 COMs 存在于 ST6 周围的冰层中，我们的研究凸显了开展更多实验室光谱实验的紧迫性。”

随着原恒星继续演化并升温，邻近恒星的尘埃颗粒表面冰层将逐步升华，COMs 随之进入气相，此前已在其他天体中观测到该过程。

气相环境下，更丰富的化学反应得以发生 —— 由原恒星自身及其周围环境的紫外辐射驱动 ——“从而生成对生命至关重要的更大、更复杂分子，例如丙醇（propanol）、丙醛（propanal），甚至可能包括氨基酸；但目前我们在 ST6 中尚未探测到它们”，塞维乌补充道。

值得注意的是，氨基酸已在太阳系的彗星与陨石中被发现。这些天体形成于约 45 亿年前，即太阳尚处原恒星阶段之时。这暗示：氨基酸很可能是从 ST6 周围所发现的这类 COMs 出发，经一系列化学反应演化而来的最终产物。

该研究成果已于 10 月 20 日发表于《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）。