水，是什么时候在宇宙中出现的？

ALMA发现128.8亿年前的水分子。

艺术家笔下描绘的SPT0311-58。ALMA / S. Dagnello

水是什么时候在宇宙中出现的？阿塔卡马大型毫米/亚毫米波望远镜阵列（ALMA）最近发现，至少128.8亿年前宇宙中就有水了，至少在分子层面上是如此。它在一个距离地球约128.8亿光年的星系中发现了水分子，这是有史以来人类在普通产星星系中发现的最早的水，也是最遥远的水。

ALMA还发现这个名叫SPT0311-58的大型星系内有一氧化碳分子。这一发现告诉我们，宇宙诞生大约7.8亿年后，早期恒星合成的元素便已经开始形成分子。

SPT0311-58实际上由两个星系组成，是一对处于宇宙“再电离期”的星系。“再电离期”出现在宇宙诞生后仅7.8亿年时，当时宇宙的年龄只有其当前年龄的5%。首批恒星和星系也是在这一时期出现的。

组成SPT0311-58的两个星系正处于融合的过程中。融合过程导致大批恒星在它们内部快速诞生，并消耗了它们内部的大量气体。早期星系内的恒星诞生速度要比今天的银河系高出数千倍。这对星系最终可能会融合成为一个巨大的椭圆星系。

ALMA在这两个星系内检测到了水和一氧化碳分子。水分子含氧，一氧化碳分子既含氧又含碳。氧和碳是第一代由恒星合成的元素，而且都对生命至关重要。

SPT0311-58是已知红移值最大的星系。红移值越大意味着越遥远，这也意味着它所在的宇宙越年轻。SPT0311-58拥有的气体和尘埃与同时期其他星系相比较多。

实际上，水分子的含量在宇宙中可以排第三，仅次于氢和一氧化碳分子。科学家常通过远红外波段在宇宙中寻找水分子。恒星产生的紫外线经宇宙尘埃吸收后，会产生远红外线，而远红外线会进一步激发水分子，使之产生可供观测的水发射线。

这一研究的意义不仅在于让我们发现了迄今最早、最遥远的水，还提出了一个值得深思的问题：为何宇宙在如此年轻时，便已经拥有了如此多的气体和尘埃？而像水这样对生命而言非常重要的分子，竟然在宇宙诞生后不久就如此迅速地产生。其背后的过程，一定与今天人们所知的极为不同。

SPT0311-58中的水（H₂O）和一氧化碳（CO）。ALMA / S. Dagnello

参考
Molecular Line Observations in Two Dusty Star-Forming Galaxies at z = 6.9
https://arxiv.org/abs/2108.11319