JWST最新发现：在110亿光年外探测到已知最大的宇宙水蒸气云团——恒星形成区的分子水库
JWST最新发现：在110亿光年外探测到已知最大的宇宙水蒸气云团——恒星形成区的分子水库
2026年7月21日，《The Astrophysical Journal》发表了一项由美国加州理工学院和亚利桑那大学联合领导的突破性发现：利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的中红外仪器（MIRI），天文学家在距离地球约110亿光年的一个早期星系SPT0311-58中，探测到了迄今为止宇宙中最大的水蒸气云团。这片云团的含水量相当于地球海洋总水量的140万亿倍，为早期宇宙恒星形成提供了关键的物质基础。
原文来源：Astrophysical Journal (2026), 934, 115. https://doi.org/10.3847/1538-4357/adc81b
一、前所未有的探测精度
SPT0311-58是一个通过南极点望远镜（SPT）发现的巨量恒星形成星系，其红移z=6.9，对应宇宙年龄仅约8亿年——不到当前宇宙年龄的6%。JWST的MIRI仪器在5.5-28微米的红外波段捕捉到了多条水分子（H₂O）的转动-振动跃迁发射线。这些光谱特征的精确定位依赖于JWST无与伦比的中红外灵敏度和光谱分辨率。
研究团队通过分析H₂O(2₁,₂-1₁,₁)等谱线的强度比和展宽，计算出水蒸气云团的总质量约为地球质量的180亿倍，覆盖区域直径超过3000光年——这比整个银河系内所有分子云的总含水量还要高出三个数量级。
二、水与恒星形成的深层关联
这项发现之所以重要，在于水分子在星际介质中扮演着”制冷剂”的关键角色。在分子云中，氢分子（H₂）本身在低温度下几乎没有有效的辐射冷却通道，而水分子则拥有丰富的转动能级，可以通过发射远红外光子高效地带走气体云的热能。
当大量水分子存在时，分子云能够迅速冷却到10-30K的低温，从而触发引力坍缩并启动恒星的诞生。SPT0311-58中探测到的巨型水蒸气云团，恰恰解释了为什么这个早期星系能够以每年超过3000个太阳质量的速率疯狂地制造恒星——是银河系恒星形成率的近1000倍。
三、宇宙早期的化学条件
宇宙大爆炸后的最初几亿年，首批恒星和星系中仅含有氢、氦和少量锂。氧、碳等重元素（包括形成水所需的氧）必须经过第一代恒星的核聚变和超新星爆发才能产生和散布到星际空间。
SPT0311-58在宇宙年龄仅8亿年时就拥有如此巨大的水蒸气云团，说明这个星系中的第一代恒星形成和超新星爆发异常迅速且高效——重元素在短短数亿年内就完成了从恒星内核到星际介质的循环。这一观测对星系化学演化模型提出了新的约束，也支持了早期宇宙中恒星形成效率比当前宇宙高出数十倍的理論预期。
四、为下一代望远镜铺路
虽然JWST已经展现了前所未有的能力，但探测110亿光年外的水分子光谱线仍然达到了其灵敏度的极限。更精细的研究——如水的氧氢同位素比（H₂¹⁶O/H₂¹⁸O）和正仲态比——需要更高灵敏度和光谱分辨率的设备。
这正是正在研制中的下一代太空望远镜（如美国宇航局的宜居世界天文台HWO和欧洲空间局的高分辨率中远红外望远镜）的核心科学目标之一。SPT0311-58将成为这些未来设施最重要的观测目标之一。
本文转载自《The Astrophysical Journal》，原文链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/adc81b