科学家在早期宇宙的两个古老星系中发现了极其罕见的分子集合
天文学家表示，在他们观测的两个星系中，发现了一批珍贵的分子，这些星系是在120亿年前的样子，揭示了古老领域形成恒星的信息。
其中一个遥远的星系，APM 08279+5255，是一个类星体的家园——它的核心是一个活跃的超大质量黑洞，吞噬着大量的气体，产生了强烈的辐射和喷流。而另一个星系，NCv1.143，是一个更“正常”的星系，没有明显的活动核心，但却拥有丰富的星际气体和尘埃2。然而，这两个星系都被看到以惊人的速度形成恒星，比目前银河系产生的恒星多数百倍，达到了每年数百甚至数千个太阳质量的水平。
这两个星系是由法国的NOEMA，北方延展毫米波阵列，观测的目标。NOEMA能够探测毫米和亚毫米波段的无线电波，这些波段的辐射主要来自于低温的分子气体，可以反映出星系中恒星形成的物质来源和条件。有趣的是，由瑞典查尔姆斯理工大学团队，在这两个星系中探测到了13种不同的分子。“我们看到了在附近的星系中很难观测到的电磁波谱的一部分，”团队负责人在一份新闻声明中说。“但是由于宇宙的膨胀，来自这些遥远星系的光被拉长到了更长的波长，我们可以用观测亚毫米波段的射电望远镜看到。”
这一发现形成了在如此极端距离的星系中探测到的最大的分子集合（这些星系现在距离我们约200亿光年，而且由于宇宙的膨胀而越来越远）。这些分子的存在不仅为我们提供了了解早期宇宙中恒星形成的重要线索，也为我们探索宇宙中的化学演化和多样性提供了新的视角。
在探测到的13种不同类型的分子中，有一氧化碳、硫化碳、氰基自由基（自由基是一种分子，它的外层壳中的一个组成原子有一个未配对的电子）、甲酰基阳离子（阳离子是带正电的离子）、氰化氢、异氰化氢、一氧化氮和水。这些分子都是在恒星形成的过程中产生的，或者是与恒星形成相关的物理过程有关的。
例如，一氧化碳是最常见的星际分子，它可以在恒星形成的密集气体云中被激发，并且可以作为气体温度和密度的指示器。硫化碳是一种含硫的分子，它可以在恒星形成区域的尘埃颗粒表面形成，并且可以反映出尘埃的性质和演化。氰基自由基和甲酰基阳离子是一些高度活性的分子，它们可以在恒星形成区域的强烈紫外辐射或者激波中形成，并且可以作为恒星形成活动的诊断工具。氰化氢、异氰化氢和一氧化氮是一些含氮的分子，它们可以在恒星形成区域的热化学反应中形成，并且可以反映出氮元素的丰度和分布。水是一种含氧的分子，它可以在恒星形成区域的尘埃颗粒表面或者气相中形成，并且可以反映出氧元素的丰度和分布。
查尔姆斯理工大学团队还探测到了五种以前在早期宇宙中没有看到过的分子：环丙烯基（一种高度活性的有机分子，也存在于土星的卫星泰坦上）、二氮阳离子（由分子氮和一个氢离子组成）、乙炔基自由基（有机分子的自由基）、水合离子（由一个水分子和一个氢离子组成）和甲基自由基（一种高度活性的有机分子）。这些分子的发现为我们展示了早期宇宙中的有机化学的复杂性和多样性，也为我们理解生命的起源和演化提供了新的思路。
所有这些分子都常见于我们银河系中的星际气体，每一种分子都提供了关于它们所在的环境的线索——一个我们看到形成了大量恒星的环境。这些恒星的质量分布也是一个重要的问题，因为它决定了恒星的演化速度和终极命运，以及它们对周围环境的影响。
这里有个概念是恒星形成率，他是指一个星系或者一个星系区域在一定时间内形成恒星的质量，一般用太阳质量每年来表示。恒星形成率可以反映出一个星系的演化阶段和活动程度，也可以影响一个星系的观测性质。一般来说，恒星形成率越高，星系的颜色就越偏向蓝色，因为蓝色的恒星通常是质量大、寿命短、亮度高的恒星，它们在恒星形成的过程中优先形成。恒星形成率也可以影响一个星系的化学丰度，因为恒星在它们的生命周期中可以合成和释放不同的元素，从而改变星系中的元素比例。
而此次观测的这些星系是惊人的恒星工厂，也许是宇宙中有史以来最大的。他们估计这两个星系的恒星形成率分别为每年3000和1500个太阳质量，而银河系的恒星形成率只有每年1到2个太阳质量。这意味着这些星系的恒星形成效率非常高，它们可以在很短的时间内消耗掉它们的气体储备。这也意味着这些星系的恒星形成活动可能是间歇的，而不是持续的，因为它们需要不断地从周围的星系际介质中吸收新的气体来维持恒星形成。
但并非所有的东西都是一样的。一些分子，比如二氧化碳，的发射强度，以及两个星系形成恒星的气体中的极端条件，暗示了所谓的“重尾初始质量函数”。初始质量函数，或者IMF，描述了给定质量的恒星能够形成的数量，低质量的恒星比高质量的恒星更常见。一个重尾的IMF意味着在早期宇宙中能够形成更多的大质量恒星，比现在能够形成的更多。这不仅可能解释为什么被詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到的早期宇宙中的星系比预期的更明亮——它们包含了更多的大质量、更亮的恒星——而且也暗示了更多的大质量恒星会以超新星的形式爆炸，加速了这些星系中化学的发展，将重元素分散到空间中。
“早期宇宙中最引人注目的星系终于能够通过它们的分子来讲述它们的故事，”法国索邦大学的合著者皮埃尔·考克斯说。他指出，这些分子的观测不仅可以帮助我们理解早期宇宙中恒星形成的物理过程，也可以为我们揭示宇宙中的化学演化和多样性提供新的视角。他说：“这些分子的发现为我们展示了早期宇宙中的有机化学的复杂性和多样性，也为我们理解生命的起源和演化提供了新的思路。”
天文学家利用了NOEMA的高灵敏度和高分辨率，以及其他射电望远镜的数据，对这两个星系进行了深入的研究。他们计划在未来继续利用NOEMA和詹姆斯·韦伯太空望远镜，对更多的早期宇宙中的星系进行分子观测，以揭示宇宙中恒星形成和化学的演化历史。