北京
王 鑫
水是生命之源。地球上的水從何而來？答案可能藏在銀河系最寒冷、最黑暗的地方——那些被氣體和塵埃籠罩的恒星搖籃里。近期，美國國家航空航天局的SPHEREx空間望遠鏡項目團隊在《天體物理學雜志》上發表一項成果：在天鵝座X等恒星形成區，探測到延展超600光年的廣闊冰區。這是人類首次繪制出銀河系規模空前的星際冰分布圖，為回答“行星上的水最初從哪里來”提供了關鍵線索——水可能早已以冰的形式存在于星際空間，并隨著恒星和行星的誕生，被帶入新生的行星系統。
SPHEREx全稱為“宇宙歷史、宇宙再電離與冰探測分光光度計”，是一臺專門進行紅外巡天的空間望遠鏡。簡單來說，它是一臺能給宇宙“分色”的太空相機。普通相機主要通過紅、綠、藍三原色記錄色彩，而SPHEREx能同時記錄102種紅外“顏色”。它于2025年3月發射，運行在太陽同步極地軌道上，每天拍攝約3600張圖像。很多人會把它與詹姆斯·韋布空間望遠鏡相比較。韋布像一臺“超高清顯微鏡”，能對某個小天區進行極深度、極精細的觀測；SPHEREx則更像一臺“廣角相機”，可以系統性掃描整個太空，效率極高。可以說，韋布負責看清細節，SPHEREx負責看清大局。
星際空間的水絕大多數以固態冰的形式存在。恒星形成區的分子云溫度極低，通常只有零下260攝氏度左右。水分子會像冬天窗戶上的霜花一樣，凍結在微小星際塵埃表面，形成一層層薄薄的“冰衣”。星際冰的探測依賴紅外光譜技術，可以理解為一種“化學指紋識別”：不同冰分子會吸收特定波長的紅外光，比如水冰在3.0微米處留下吸收痕跡，二氧化碳冰在4.27微米處，一氧化碳冰在4.67微米處。SPHEREx的102個紅外波段正好完整覆蓋了這些關鍵波長。研究團隊最初以為只能依靠遙遠的背景恒星作為“手電筒”——恒星的光穿過分子云，冰吸收一部分光，從而留下信號。但觀測發現，連星際空間彌漫的背景輻射也攜帶著冰的信息。這一突破使SPHEREx能夠以前所未有的廣度繪制出冰的分布圖。
在天鵝座X區域，科學家發現了一個規律：哪里塵埃最密集，哪里冰就最多。最高的冰濃度出現在分子云最致密的核心區——科學家將這類延綿數百光年的結構稱為“星際冰川”。為什么會這樣？在極度寒冷的分子云中，氣體分子會像雪花一樣凝結在塵埃顆粒表面形成冰膜。而最致密的云核就像厚實的“棉被”，能遮擋來自新生恒星的強烈紫外線。沒有這層遮擋，紫外線就會像太陽曬化冰塊一樣，把這些冰分解掉。所以，致密的塵埃環境既是冰的“加工廠”，也是它的“保護傘”。SPHEREx的廣域視角還使得不同環境條件下的比較成為可能：水冰、二氧化碳冰和一氧化碳冰的相對豐度會隨塵埃溫度和紫外輻射強度而變化，這為研究不同冰的形成路徑提供了線索。
這張冰的分布圖的意義直接關系到行星上水的來源。當一團分子云在自身引力作用下坍縮時，中心會形成新恒星，周圍剩余的物質則在收縮過程中越轉越快，最終形成一個旋轉的圓盤——原行星盤。盤里那些裹著冰膜的塵埃顆粒，攜帶著氫、氧、碳等生命必需元素，構成了彗星、小行星和行星的原始原料。沒有水，就沒有海洋；沒有碳，就沒有有機分子，也就沒有生命的基礎。SPHEREx繪制的冰圖譜，正是在測量銀河系中這些原料的儲量，表明地球上浩瀚的海洋、彗星上冰封的物質，很可能就來自這類星際冰區。
SPHEREx的任務仍在繼續。它每6個月完成一次全天掃描，預計兩年內完成4次巡天。隨著多次掃描數據的疊加，信號將愈發清晰，科學家能夠探測到更遙遠、更微弱的冰信號。SPHEREx的全天光譜圖將努力幫助回答一系列問題：銀河系中，形成宜居行星所需的水和生命起源所需的有機分子分布在哪里？儲量有多少？又是如何被輸送到新生行星系統中的？我們或許正在一步步接近答案。
(作者為中國科學院大學天文與空間科學學院、國家天文臺副教授)
《 人民日報 》( 2026年07月24日 15 版)
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