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news.sciencenet.cn 2026/7/24 9:33
地球之水哪里来？星际冰图告诉你
水是生命之源。地球上的水从何而来？答案可能藏在银河系最寒冷、最黑暗的地方——那些被气体和尘埃笼罩的恒星摇篮里。近期，美国国家航空航天局的SPHEREx空间望远镜项目团队在《天体物理学杂志》上发表一项成果：在天鹅座X等恒星形成区，探测到延展超600光年的广阔冰区。这是人类首次绘制出银河系规模空前的星际冰分布图，为回答“行星上的水最初从哪里来”提供了关键线索——水可能早已以冰的形式存在于星际空间，并随着恒星和行星的诞生，被带入新生的行星系统。
SPHEREx全称为“宇宙历史、宇宙再电离与冰探测分光光度计”，是一台专门进行红外巡天的空间望远镜。简单来说，它是一台能给宇宙“分色”的太空相机。普通相机主要通过红、绿、蓝三原色记录色彩，而SPHEREx能同时记录102种红外“颜色”。它于2025年3月发射，运行在太阳同步极地轨道上，每天拍摄约3600张图像。很多人会把它与詹姆斯·韦布空间望远镜相比较。韦布像一台“超高清显微镜”，能对某个小天区进行极深度、极精细的观测；SPHEREx则更像一台“广角相机”，可以系统性扫描整个太空，效率极高。可以说，韦布负责看清细节，SPHEREx负责看清大局。
星际空间的水绝大多数以固态冰的形式存在。恒星形成区的分子云温度极低，通常只有零下260摄氏度左右。水分子会像冬天窗户上的霜花一样，冻结在微小星际尘埃表面，形成一层层薄薄的“冰衣”。星际冰的探测依赖红外光谱技术，可以理解为一种“化学指纹识别”：不同冰分子会吸收特定波长的红外光，比如水冰在3.0微米处留下吸收痕迹，二氧化碳冰在4.27微米处，一氧化碳冰在4.67微米处。SPHEREx的102个红外波段正好完整覆盖了这些关键波长。研究团队最初以为只能依靠遥远的背景恒星作为“手电筒”——恒星的光穿过分子云，冰吸收一部分光，从而留下信号。但观测发现，连星际空间弥漫的背景辐射也携带着冰的信息。这一突破使SPHEREx能够以前所未有的广度绘制出冰的分布图。
在天鹅座X区域，科学家发现了一个规律：哪里尘埃最密集，哪里冰就最多。最高的冰浓度出现在分子云最致密的核心区——科学家将这类延绵数百光年的结构称为“星际冰川”。为什么会这样？在极度寒冷的分子云中，气体分子会像雪花一样凝结在尘埃颗粒表面形成冰膜。而最致密的云核就像厚实的“棉被”，能遮挡来自新生恒星的强烈紫外线。没有这层遮挡，紫外线就会像太阳晒化冰块一样，把这些冰分解掉。所以，致密的尘埃环境既是冰的“加工厂”，也是它的“保护伞”。SPHEREx的广域视角还使得不同环境条件下的比较成为可能：水冰、二氧化碳冰和一氧化碳冰的相对丰度会随尘埃温度和紫外辐射强度而变化，这为研究不同冰的形成路径提供了线索。
这张冰的分布图的意义直接关系到行星上水的来源。当一团分子云在自身引力作用下坍缩时，中心会形成新恒星，周围剩余的物质则在收缩过程中越转越快，最终形成一个旋转的圆盘——原行星盘。盘里那些裹着冰膜的尘埃颗粒，携带着氢、氧、碳等生命必需元素，构成了彗星、小行星和行星的原始原料。没有水，就没有海洋；没有碳，就没有有机分子，也就没有生命的基础。SPHEREx绘制的冰图谱，正是在测量银河系中这些原料的储量，表明地球上浩瀚的海洋、彗星上冰封的物质，很可能就来自这类星际冰区。
SPHEREx的任务仍在继续。它每6个月完成一次全天扫描，预计两年内完成4次巡天。随着多次扫描数据的叠加，信号将愈发清晰，科学家能够探测到更遥远、更微弱的冰信号。SPHEREx的全天光谱图将努力帮助回答一系列问题：银河系中，形成宜居行星所需的水和生命起源所需的有机分子分布在哪里？储量有多少？又是如何被输送到新生行星系统中的？我们或许正在一步步接近答案。
（作者为中国科学院大学天文与空间科学学院、国家天文台副教授）