天文學家發現宇宙中最大的水庫，相當于地球海洋水量的140萬億倍

天文學家在一個遙遠的超大質量黑洞附近發現了一個巨大的水庫，其水量相當于地球海洋水量的140萬億倍，是宇宙中已知的最大的水儲量，也是銀河系中水量的4000倍。
這個水庫是由兩支天文學家團隊在距離地球120億光年處發現的，呈現為分散在數百光年范圍內的水蒸氣。這個水庫位于一個類星體的氣體區域內，類星體是一種位于星系核心、由黑洞驅動的明亮緊湊區域。這一發現表明，即使在宇宙早期，水也可能存在于整個宇宙中。雖然這對專家來說并不令人驚訝，但這是迄今為止發現的最遠處的水。

從類星體（具體來說，是獵戶座中的APM 08279+5255類星體）發出的光花了120億年才到達地球，這意味著這個水庫存在于宇宙只有16億年時。其中一支團隊使用了位于夏威夷加州理工學院亞毫米波望遠鏡上的Z-Spec儀器，另一支團隊使用了位于法國阿爾卑斯山高原上的布雷高原干涉儀。
這些傳感器能夠探測毫米和亞毫米波長，從而能夠檢測到早期宇宙中微量氣體（或巨大的水蒸氣儲備）。在類星體中發現了許多水分子譜線，為研究人員提供了計算該儲備巨大規模所需的數據。

天文學家是如何發現這個巨大的水庫呢？他們利用了一個叫做「引力透鏡」的效應。引力透鏡是指當一個強引力源（如一個黑洞或者一個星系團）位于觀察者和遙遠目標之間時，會彎曲目標發出的光線，并放大其亮度和尺寸。在本例中，觀察者就是地球上使用Z-Spec或布雷高原干涉儀進行觀測的天文學家。引力透鏡可以將目標的亮度和尺寸放大數百倍，從而使得天文學家能夠觀測到更加微弱和細節的信號。

水在宇宙中并不罕見，事實上，它是最常見的分子之一。水分子可以在星際塵埃、彗星、行星和衛星等多種天體上形成或存在。水也被認為是生命的重要組成部分，因此尋找外層空間中的水對于探索生命起源和演化具有重要意義。
那麼，這個巨大的水庫是如何形成的呢？研究人員認為，這個水庫可能是由類星體周圍旋轉的氣體盤中的氫和氧原子結合而成的。這些原子可能來自于類星體吞噬周圍物質時產生的高能輻射或者來自于恒星形成過程中釋放出來的物質。當氣體盤足夠冷時，水分子就會凝結在塵埃顆粒上形成冰晶，并隨著時間積累成為巨大的彗星或者小行星。這些冰冷天體可能會與新形成的行星發生碰撞，并將水帶到行星表面。

這一過程可能與我們地球上海洋形成有關。地球誕生于45億年前，當時太陽系還是一個充滿碎片和碰撞的混亂環境。地球剛剛形成時可能非常干燥，因為高溫使得任何水都會蒸發掉。但隨著地球逐漸冷卻下來，一些帶有水分子或者冰晶的小行星或者彗星可能撞擊了地球，并給地球帶來了海洋所需的大量水。
當然，并不是所有行星都能擁有海洋。距離恒星太近或者太遠都會影響水分子在行星表面或者大氣層中存在的穩定性。例如，在金星上，由于溫度過高和壓力過低，任何液態或者固態水都會迅速變為蒸汽并逸散到空間中；而在火星上，則由于溫度過低和壓力過低，任何液態水都會迅速變為固態或者蒸汽，并被風吹走或者沉積在極地。

因此，在尋找外層空間中潛在存在生命的行星時，天文學家通常會關注所謂「適居帶」，即距離恒星的適當距離，這樣水分子才能在行星表面或者大氣層中以液態、固態或者氣態的形式存在。
如果距離太近，水就會蒸發掉；如果距離太遠，水就會凍結成冰。適居帶的范圍取決于恒星的質量和亮度，不同類型的恒星有不同的適居帶。

例如，對于類似太陽的G型恒星來說，適居帶大約在0.9到1.5個天文單位（地球到太陽的距離）之間。地球正好位于這個范圍內，因此能夠擁有豐富多樣的生命形式。
而對于更小更暗淡的M型恒星來說，適居帶則更靠近恒星，大約在0.1到0.4個天文單位之間。這意味著繞著M型恒星運行的行星需要更快地公轉一圈才能保持溫暖和濕潤。例如，在TRAPPIST-1系統中，有三顆行星位于適居帶內，它們分別只需要6.1天、9.2天和12.4天就能繞著恒星公轉一圈。

然而，并不是所有位于適居帶內的行星都一定是適合生命存在的。還有許多其他因素會影響一個行星是否真正「適居」，比如它是否有一個穩定而厚實的大氣層來保護其表面免受宇宙射線和流星撞擊的侵害；它是否有一個強大而持久的磁場來防止其大氣被恒星風吹走；它是否有一個合理而平衡的化學成分來支持復雜而多樣化的生命形式。
因此，僅僅位于適居帶內并不能保證一個行星是真正「適居」的，還需要考慮其他多種因素。

那麼，我們如何尋找和探測這些可能存在生命的行星呢？目前，天文學家主要使用兩種方法來發現和研究系外行星：凌日法和徑向速度法。凌日法是指當一個行星從恒星前面經過時，會遮擋恒星的一部分光線，從而導致恒星的亮度稍微下降。通過測量這種亮度變化，我們可以推斷出行星的大小、軌道周期和距離等信息。
徑向速度法是指當一個行星繞著恒星運動時，會對恒星產生微弱的引力作用，使得恒星在我們看來也會沿著軌道方向稍微移動。通過測量這種移動引起的光譜變化，我們可以推斷出行星的質量、軌道周期和距離等信息。

這兩種方法都有各自的優勢和局限性。凌日法更容易發現那些靠近恒星、較大、反射率高的行星，而徑向速度法更容易發現那些靠近恒星、質量大、引力強的行星。因此，結合使用這兩種方法可以獲得更全面和準確的結果。此外，還有一些其他方法正在開發中，比如直接成像法、微引力透鏡法和天體測量法等。
然而，并不是所有系外行星都能被這些方法探測到。有些行星可能太遠或者太暗淡或者太小或者軌道傾角不合適等原因而無法被觀測到。因此，在估計系外行星數量時需要考慮探測偏差，并使用統計模型來修正數據。

目前為止，在銀河系中已經發現了超過4000顆確認的系外行星，并且還有數千顆待確認候選者。其中有許多位于適居帶內，并且具有類似地球大小或質量或密度或溫度等特征的潛在「類地」行星。這些行星可能是我們尋找外星生命的最佳目標，因為它們可能具有與地球相似的環境和條件。
但是，要確定一個行星是否真的「類地」，還需要對其進行更深入和細致的觀測和分析。我們需要了解它們的大氣成分、表面特征、氣候變化、地質活動等多方面的信息，以判斷它們是否適合生命存在或者是否已經存在生命跡象。這些信息可以通過不同波長的光譜或者直接成像等方法來獲取。
其中，最重要的一種方法是尋找所謂的「生物標志」，即一些能夠表明生命活動存在或曾經存在的化學物質或現象。例如，在地球上，大氣中含有大量的氧氣和臭氧就是由于植物進行光合作用而產生的，因此可以被認為是一種強烈的生物標志。類似地，在其他行星上，如果發現了一些不平衡或者異常的化學物質或反應，也可能暗示著有某種形式的生命在影響著它們。

然而，并不是所有的生物標志都是可靠和唯一的。有些化學物質或現象也可能由非生物過程產生，比如火山噴發、閃電放電、彗星撞擊等。因此，在判斷一個行星是否存在生命時，不能只依賴于單一的證據，而需要綜合考慮多種因素，并排除其他可能性。
目前，人類還沒有在任何系外行星上發現確鑿無疑的生物標志。但是，隨著天文技術的不斷進步和創新，我們有理由相信，在不久的將來，我們將能夠在某些系外行星上找到生命存在的確鑿證據。

為了實現這一目標，國際社會正在計劃和開發一些新的太空任務和儀器，以提高對系外行星的探測和分析能力。例如，美國國家航空航天局（NASA）于2021年12月發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），這是一台紅外波段的巨型望遠鏡，可以對系外行星大氣進行高分辨率光譜觀測，并尋找水、甲烷、氧氣等潛在生物標志。
此外，NASA還計劃在2028年代后期發射羅曼太空望遠鏡（WFIRST），這是一台可見光波段的寬視場望遠鏡，可以利用微引力透鏡效應來發現數千顆系外行星，并使用冠狀儀來直接成像部分系外行星。

歐洲航天局（ESA）也在積極推進自己的系外行星任務。除了已經成功發射并運行中的類地行星特征衛星（CHEOPS）之外，ESA還計劃在2026年發射類地行星與振蕩恒星衛星（PLATO），這是一台多目標望遠鏡陣列，可以利用凌日法來發現數千顆位于適居帶內、大小質量接近地球的系外行星，并對其主恒星進行精確表征；以及在2029年發射大氣遙測紅外系外行星大型調查衛星（ARIEL），這是一台紅外波段的光譜儀器，可以對數百顆不同類型和大小的系外行星大氣進行化學成分分析。

除了美國和歐洲之外，其他國家或地區也有自己的系外行星項目或參與其中。例如，我國建造的世界上最大的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），這是一台巨型射電望遠鏡，可以對宇宙中的多種射電源進行探測和研究，其中包括可能發出人工信號的系外文明。
此外，中國還參與了歐洲的ARIEL任務，并計劃在2026年發射自己的系外行星探測衛星——地球2.0望遠鏡，這是一台多目標望遠鏡陣列，可以利用凌日法來發現數千顆位于適居帶內、大小質量接近地球的系外行星，并對其主恒星進行精確表征。

總之，系外行星研究是一個極具挑戰和前景的天文學領域，它不僅能夠揭示宇宙中各種奇妙和多樣化的天體和現象，還能夠幫助我們探索生命起源和演化的奧秘，甚至尋找到其他智慧生命。
隨著未來更先進和強大的太空任務和儀器的建造和發射，我們有理由期待，在不久的將來，我們將能夠在某些系外行星上找到生命存在或曾經存在的確鑿證據，并與之進行交流和互動。這將是人類歷史上最偉大和最重要的發現之一。


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