韦伯望远镜首次在系外恒星周围探测到冻结态复杂有机分子

11月9日消息，詹姆斯・韦布空间望远镜凭借其卓越的观测能力，首次在银河系以外、一颗年轻原恒星周围探测到冻结态的复杂有机分子，标志着天体化学领域取得重大突破。

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由马里兰大学天文学家玛尔塔・塞维乌领导的研究团队，利用JWST的中红外仪器，在大麦哲伦云——一个距地球约16.3万光年的邻近矮星系——中质量较大的原恒星ST6周围尘埃颗粒所包裹的冰层中，发现大量复杂有机分子。这些分子通常指含碳且原子总数超过六个的结构，其中许多是构成已知生命基本单元的化学前体。

此次确认存在于ST6周围冻结态冰层中的COMs包括：乙醛、乙酸、乙醇、甲醇及甲酸甲酯。在地球上，甲酸甲酯与乙醛是工业常用化学品，甲醇与乙醇属于醇类，乙酸则是食醋的主要成分；而在星际环境中，这些分子更扮演着构建更复杂“第二代”分子（如氨基羧酸和RNA分子）骨架的重要角色。

此外，JWST还至少探测到另外14种潜在COMs信号，但塞维乌及其合作者目前尚无法明确确认其具体成分。

塞维乌在接受Space.com采访时表示：“我们才刚刚开始探索此类环境中复杂有机化学的演化依赖关系。”

JWST正在恒星乃至行星形成环境的化学研究领域开辟全新疆域。

据了解，恒星诞生于低温分子气体巨云的碎裂与坍缩过程，形成高密度核心，进而凝聚为恒星。初始阶段，这些核心温度极低，复杂有机分子多以冰的形式附着于尘埃颗粒表面；直至核心升温后，冰层才发生升华，将COMs以气态形式释放出来。

尽管气态COMs此前已在银河系及大麦哲伦云中的多颗年轻恒星周围被多次探测到，但其更早期、更低温度的冰相形式却极难被观测识别。

塞维乌指出：“JWST使我们首次得以探测到冰相COMs；但截至目前，仅在银河系内4颗原恒星，以及LMC中1颗（即ST6）周围确认了冰相COMs的存在。”

在冻结状态下探测COMs，有助于天文学家评估原恒星周围物质在恒星形成最初阶段的化学演化程度。尤其引人注目的是，这些分子竟出现在LMC中一颗年轻大质量原恒星周围，须知LMC的物理条件与银河系显著不同：其金属丰度（即氢、氦以外重元素的含量）较低，且紫外辐射场更强。较低的重元素丰度可能影响COMs的丰度，而更强的紫外辐射则可能调控化学反应速率。

因此，对LMC中有机化学过程的理解，亦可为研究早期宇宙的有机化学演化提供线索，尤其有助于揭示生命基本构建单元究竟在宇宙诞生后多久便已具备形成条件，从而为“生命在宇宙中可能出现的最早时间”提供理论约束。

观测结果表明，LMC较低金属丰度确实影响了ST6周围COMs的丰度。塞维乌表示：“除乙酸外，ST6周围所有已测COMs相对于水冰的丰度均低于银河系中4颗原恒星的测量值——这与预期一致。而乙酸冰的丰度异常偏高，很可能源于LMC更强的紫外辐射通量。”

在ST6光谱中至少14条未识别吸收线中，可能存在乙醇醛——它是核糖（RNA分子的重要组分）的关键化学前驱体。

塞维乌解释道：“我们发现若干未认证吸收特征可能归属于乙醇醛，但目前尚无法定论，因需更多实验室光谱数据加以验证。”她所指的，是需要将天体光谱与实验室中不同分子的标准光谱进行逐一比对，才能确定吸收线对应的具体分子种类。

“很可能还有更多COMs存在于ST6周围的冰层中，我们的研究凸显了开展更多实验室光谱实验的紧迫性。”

随着原恒星继续演化并升温，邻近恒星尘埃颗粒表面冰层将逐步升华，COMs随之进入气相。这一过程此前已在其他天体中观测到。

气相环境下，更丰富的化学反应得以发生——由原恒星自身及其周围环境的紫外辐射驱动——“从而生成对生命至关重要且结构更庞大、更复杂的分子，例如丙醇、丙醛，甚至可能包括氨基酸；但目前我们在ST6中尚未探测到它们”，塞维乌补充道。

值得注意的是，氨基酸此前已在太阳系的彗星与陨石中被发现。这些天体形成于约45亿年前，即太阳尚处原恒星阶段之时。这暗示：氨基酸很可能是从ST6周围这类COMs出发，经一系列化学演化而来的最终产物。

该研究成果已于10月20日发表于《天体物理学杂志快报》。