天文学家首次在河外星系中探测到氧气
如果空气中没有氧气，我们简直难以想象会发生什么。那么太阳系之外、银河系之外是否也有氧气分子呢？毕竟，氧元素是紧随氢和氦元素，宇宙中含量排名第三的元素。近日，由上海天文台科研人员主导参与的一个国际团队首次探测到银河系外的氧气分子，这些氧气位于5.6亿光年之外的类星体Markarian 231（简写成Mrk 231）内，也是科学家迄今在太阳系外探测到数量最多的氧气。该工作于2020年2月发表在国际天文顶级杂志《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)。
图1：哈勃空间望远镜拍摄的Mrk 231，图片版权：NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (UVA/NRAO/Stony Brook Uni.)
目前已经探测到的含氧分子包括一氧化碳(CO)、羟基(OH)以及水(H2O)等。作为最简单纯粹的含氧分子，氧气分子一直备受关注，并被期望着具有很高的丰度，但在接近半个世纪的空间氧气分子的搜寻中，迄今仅有几次成功探测，且探测区域均在银河系内的恒星形成区中。这些结果显示，氧气的丰度远低于之前化学模型的预期，原因还是待解之谜。
由于地球大气会吸收氧气1，导致银河系内的氧气无法通过地面望远镜观测，而必须利用空间望远镜。“但银河系外的氧气则有可能通过地面望远镜探测到，我们的研究证实了这点，为利用ALMA、IRAM NOEMA等大型毫米波设备探测氧气分子，研究超大质量黑洞的活动对其宿主星系的影响打开了一个新的窗口。”此论文的第一作者、上海天文台研究员王均智说，“探测银河系外的氧气分子，与化学模型进行对比，研究星际空间氧气分子的形成机制和形成环境，是我们的目标。”
由于宇宙在膨胀，河外星系在远离我们，就像远离我们的火车发生的声音变得低沉（声音的多普勒效应），光的多普勒效应会造成河外星系发出的光的频率变低。设想某河外星系存在氧气，氧气辐射出其特定频率的光，表现为发射线；由于红移，氧气辐射的光已经红移到更低频率，从而可以透过地球大气，被地面上的大型望远镜设备探测到。但是，由于河外星系中的氧气信号十分的微弱，从上个世纪八十年代开始，有多个小组进行了尝试都未能探测到信号。
近二十年来，随着电子技术在天文观测上应用的进步以及新的望远镜设备的建成，科学家们可以把探测弱信号的能力提高一个量级以上。王均智研究员说，“因此我联合了国内外多个单位的天文学家，申请利用位于西班牙的IRAM 30米毫米波单天线望远镜观测离我们最近的类星体——Mrk 231。”
2015年8月他们利用该望远镜进行了首次观测，结果成功地在2.25毫米处探测到了氧气分子的辐射(见图2)。在此基础上，该团队还申请了IRAM NOEMA毫米波干涉阵对Mrk 231进行了成像，结果表明，氧气的发射主要出现在离星系中心几千光年到几万光年的区域。
图2.利用IRAM 30米望远镜在Mrk 231中探测到的氧气118.75GHz发射线谱(黄色填充图)，蓝色的谱是同时得到的CO 1-0的谱，横坐标是归一到Mrk231星系红移后的相对速度。图片来源：Wang et al. 2020
该团队仔细分析了该发射线，排除了氧气分子之外的其他各种可能。他们发现，在氧气发射的区域，单位体积内氧气分子的数量达到氢分子的万分之一以上。与之对比的是，银河系内猎户座星云的氧气发射区域，单位体积内氧气的数量仅为氢分子的百万分之一。
这是科学家迄今在太阳系外探测到的数量最多的氧气。对于Mrk 231中探测到的更多数量的氧气分子，王均智认为，这很可能与中心黑洞的活动（反馈）有关。类星体Mrk 231每年喷出气体的总质量达700倍太阳质量，来自星系中心的外流物质在几千光年到几万光年的尺度上与星际介质相互作用，将水冰从尘埃颗粒上剥离，氧原子得以释放，从而形成氧气。但氧气分子形成的具体化学机制还需要进一步探讨，还需要有更多的观测提供数据。
本研究的参与人员包括来自上海天文台的科研人员(王均智、李尚活、李娟)，来自国内多个科研院所和高校 （中国科学院国家天文台、南京大学、中国科学院紫金山天文台、厦门大学、广州大学）以及美国、欧洲等多个科研单位的合作者。
注1：地球中氧气含量高，容易造成对拟探测的氧气发射线的饱和吸收；又因为存在严重的压力致宽，所以导致该吸收在氧气的发射频率附近很宽的范围内都有严重影响。
科研文章链接： https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab612d/pdf
科学联系人：
王均智，中国科学院上海天文台，jzwang@shao.ac.cn
新闻联系人：
左文文，中国科学院上海天文台，wenwenzuo@shao.ac.cn
媒体报道：
科技日报：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-02/20/content_440178.htm?div=-1
光明日报：https://gmrb.cloud.gmw.cn/gmrb/html/2020-02/23/content_52626.htm
Science News: https://www.sciencenews.org/article/molecular-oxygen-spotted-beyond-milky-way-first-time
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