作者:何金华 来源:中国科学院云南天文台 发布时间:2024/3/3 8:03:56
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韦伯望远镜揭示新的水循环过程:每月消耗一个地球海洋

 

一个由法国巴黎萨克雷大学的年轻科学家玛丽恩·詹尼斯(Marion Zannese)牵头的一个国际合作团队刚刚发现有大量水分子在位于猎户座星云中心的一个行星形成盘中被大量地破坏然后又重新形成的漂亮证据。这一发现得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜(简称韦伯望远镜)的高质量观测和量子物理计算的支持。此研究工作是韦伯望远镜早期科学项目PDRs4All1的一部分,近日在Nature Astronomy发表。中国科学院云南天文台驻中国科学院南美天文中心访问学者何金华研究员参与了该研究。

水是孕育生命的关键成分。在地球上,我们海洋中的水大都是远在太阳系诞生之前就在星际空间里温度低于零下250摄氏度的冷区域中就已经形成了的。但是,很可能在我们的太阳系还是一个绕着婴儿期太阳旋转的气体尘埃盘的时候,有一部分水会经历一个在温度达到100-500摄氏度的高温环境中浴火重生的过程。

为了理解这个高温水循环之谜,这些天文学家将韦伯望远镜指向了被视作行星摇篮的猎户座大星云中一个编号为d203-506的原行星盘。他们发现,它近旁的大质量恒星发出的强烈紫外线确实正在这个原行星盘中快速地摧毁并重新产生水分子,把这个天体打造成了一个有趣的星际化学实验室。

但是,在距离我们1000光年的如此遥远的地方发生的水分子的形成和破坏过程,如何才能够被我们观测到呢?他们与量子物理专家2的合作,就是赢得这一挑战的关键。当水分子(H2O)被紫外线破坏时,一个处于高速旋转状态的羟基分子(OH)将被释放出来。然后羟基分子将在这些很高的能级上发生转动能级跃迁,其所产生的一系列中红外谱线辐射(波长10微米左右)被韦伯望远镜捕捉到了。在d203-506这个年轻的天体中,每个月就有相当于一个地球海洋的巨量水分子以这种方式被紫外线破坏。

但是,故事到这里还未结束。韦伯望远镜同时在近红外波段(波长3微米左右)还观测到了羟基分子(OH)以类似机制发射的另一组谱线,表明有大量羟基分子正在通过高温气体中氧原子与氢分子的化学反应(O+H2)来形成。羟基分子将与氢分子进一步反应(OH+H2)产生水分子,因此羟基分子扮演了合成水的化学中介。这就构成了一个完整的水分子化学循环。很可能我们地球海洋中的一些水分子就经历过了这样一个高温水循环过程的加工处理。

汉语翻译:何金华

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左图和中图展示了韦伯太空望远镜观测的猎户座大星云中的d203-506这个年轻的盘天体的图像?PDRs4All。右图的动画示意水分子的破坏和再形成过程是如何被韦伯太空望远镜观测到的。? 玛丽恩·詹尼斯(M. Zannese)

参考文献

OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks

Marion Zannese, Beno?t Tabone, Emilie Habart, Javier R. Goicoechea, Alexandre Zanchet, Ewine F. van Dishoeck, Marc C. van Hemert, John H. Black, Alexander G. G. M. Tielens, A. Veselinova, P. G. Jambrina, M. Menendez, E. Verdasco, F. J. Aoiz, L. Gonzalez-Sanchez, Boris Trahin, Emmanuel Dartois, Olivier Berné, Els Peeters, Jinhua He(何金华), Ameek Sidhu, Ryan Chown, Ilane Schroetter, Dries Van De Putte, Amélie Canin, Felipe Alarcón, Alain Abergel, Edwin A. Bergin, Jeronimo Bernard-Salas, Christiaan Boersma, Emeric Bron, Jan Cami, Daniel Dicken, Meriem Elyajouri, Asunción Fuente, Karl D. Gordon, Lina Issa, Christine Joblin, Olga Kannavou, Baria Khan, Ozan Lacinbala, David Languignon, Romane Le Gal, Alexandros Maragkoudakis, Raphael Meshaka, Yoko Okada, Takashi Onaka, Sofia Pasquini, Marc W. Pound, Massimo Robberto, Markus R?llig, Bethany Schefter, Thiébaut Schirmer, Sílvia Vicente, Mark G. Wolfire

论文链接:Nature Astronomy 23 February 2024

*注释1:PDRs4All项目(https://pdrs4all.org/)是美国宇航局(NASA)遴选的用于展示韦伯太空望远镜观测能力的13个早期研究项目(Early Release Science programmes,简称ERS)之一,由多个国际合作团队联合构成。

*注释2:这里包含了来自如下众多合作机构科学家的贡献:西班牙基础物理研究所(Instituto de F?sica Fundamental ,CSIC)、西班牙马德里康普斯顿大学(Universidad Complutense de Madrid ;UCM)化学系、西班牙萨拉曼卡大学(University of Salamanca)物理化学系、荷兰莱顿大学莱顿天文台、荷兰莱顿大学戈尔莱乌斯实验室(Gorlaeus Laboratories)莱顿化学研究所。

 
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