在南極，追蹤碳的星際旅程

南極冰穹A，被譽(yù)為“地球上最接近太空的地方”。這里常年極寒、空氣干燥，所以是觀測(cè)宇宙的天然“窗口”。

2026年1月7日，在一篇發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的研究中，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)牽頭的科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道了，他們?cè)谀蠘O冰穹A捕捉到了來自遙遠(yuǎn)宇宙的微弱信號(hào)，點(diǎn)亮了南極冰穹A亞毫米波天文學(xué)觀測(cè)的“第一束光”。

不僅如此，他們還揭示了一段跨越恒星與星際空間的“碳之旅”，為人類理解恒星如何塑造宇宙環(huán)境、碳元素如何在星際空間中“漂流與重生”，提供了重要的觀測(cè)視角。

什么是亞毫米波天文學(xué)？

亞毫米波，是介于微波和紅外線之間的一段“神秘波段”。它的波長(zhǎng)比毫米波更短，通常指波長(zhǎng)在0.1-1毫米（約300GHz-3THz）的電磁波范圍。雖然名字聽起來陌生，但它卻是天文學(xué)家窺探“冷宇宙”的一把關(guān)鍵鑰匙。

然而，想要利用亞毫米波觀測(cè)宇宙，難度遠(yuǎn)超想象。而最大的“攔路虎”其實(shí)就在我們的頭頂——地球大氣。大氣對(duì)亞毫米波具有極強(qiáng)的吸收能力，使得原本就極其微弱的天體信號(hào)在到達(dá)地面前被大幅削弱。而在所有大氣成分中，水汽是最關(guān)鍵、也是最主要的吸收介質(zhì)。

為了量化水汽對(duì)觀測(cè)的影響，科學(xué)家引入了一個(gè)重要指標(biāo)：大氣可降水量（PWV），它表示大氣中的所有水汽被“壓扁”后所形成的水的厚度。PWV越小，說明大氣越干燥，亞毫米波也就越容易穿透。

大氣透過率隨頻率的變化規(guī)律。

在不同PWV條件下，大氣透過率隨頻率變化顯著。以南京這樣的城市為例，其年平均可沉降水汽通常超過20毫米，在這種條件下，亞毫米波幾乎被完全吸收——這意味著，無論望遠(yuǎn)鏡做得多大、多先進(jìn)，都無法從地面獲得有科學(xué)意義的亞毫米波天文信號(hào)。

正因如此，亞毫米波天文學(xué)對(duì)觀測(cè)臺(tái)址提出了近乎苛刻的要求：極端干燥、極高海拔、極其穩(wěn)定的大氣條件。放眼全球，真正滿足這些條件的地點(diǎn)屈指可數(shù)，而南極冰穹A就是其中之一。

困難重重的極地探索

南極冰穹A，海拔4093米，年平均溫度約-58攝氏度，是南極大陸最高、最寒冷的區(qū)域之一，擁有極端干燥、超低溫度和稀薄空氣等一系列近乎苛刻的自然條件。正是這些“反人類”的環(huán)境特征，使它成為亞毫米波天文學(xué)的理想之地——大氣中的水汽被壓縮到極低水平，大幅削弱了對(duì)亞毫米波的吸收。

盡管南極冰穹A是“觀測(cè)天堂”，但也是人類最難抵達(dá)的地方之一。終年嚴(yán)寒、極低氣壓、無人生存的環(huán)境，使得任何科學(xué)活動(dòng)都面臨巨大挑戰(zhàn)。直到2005年，中國極地科考隊(duì)才首次成功抵達(dá)南極冰穹A，人類才真正踏上這片“地球之巔”的冰原。而要在南極冰穹A這樣幾乎與世隔絕的極端環(huán)境中開展亞毫米波天文觀測(cè)，科研人員面臨著諸多挑戰(zhàn)。

首先，一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的問題是：電從哪里來、儀器能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。為此，紫金山天文臺(tái)自主研制了低功耗超導(dǎo)接收機(jī)，這種接收機(jī)在極低能耗條件下仍能保持極高靈敏度，使得即便依賴有限的柴油發(fā)電和簡(jiǎn)易供電系統(tǒng)，也能夠開展真正有科學(xué)價(jià)值的亞毫米波觀測(cè)。

其次，在南極冰穹A，沒有常駐人員、沒有隨時(shí)可用的維護(hù)條件，任何一次嘗試都意味著科研人員必須親赴極地，在極寒、低氧和高度孤立的環(huán)境中完成設(shè)備安裝、調(diào)試與運(yùn)行。正因如此，天文學(xué)家們前赴后繼，主動(dòng)加入中國南極科考遠(yuǎn)征隊(duì)，將天文觀測(cè)真正帶上這片冰原。

南極科考。

在第39次、第40次和第41次中國南極內(nèi)陸科學(xué)考察中，紫金山天文臺(tái)先后派科研人員隨內(nèi)陸隊(duì)昆侖站隊(duì)奔赴南極冰穹A。他們分別攜帶南極太赫茲探路者30厘米望遠(yuǎn)鏡（ATE30）和60厘米望遠(yuǎn)鏡（ATE60），在極端環(huán)境下完成了望遠(yuǎn)鏡的部署、調(diào)試與觀測(cè)運(yùn)行。正是這些一次次“人隨設(shè)備走”的遠(yuǎn)征式努力，最終讓亞毫米波天文觀測(cè)在南極冰穹A從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

紫金山天文臺(tái)自主研發(fā)的設(shè)備——ATE30和ATE60。

那么，在最新的研究中，ATE60究竟看到了什么？答案是——碳。

宇宙中的碳循環(huán)

在宇宙的元素家族中，碳的地位極其特殊。它是宇宙中第四豐富的元素，僅次于氫、氦和氧；更重要的是，所有已知的生命形式，都是建立在碳的骨架之上。可以說，理解碳在宇宙中的命運(yùn)，就是在追溯“生命原材料”的起源之路。

在廣袤的星際空間中，碳并不是以單一形態(tài)存在的，主要以三種物理形態(tài)出現(xiàn)：電離碳（C?），原子碳（C?），分子碳——最常見的載體是——氧化碳分子（CO）。

這三種形態(tài)并非靜止不變，而是在恒星輻射、化學(xué)反應(yīng)、宇宙線等作用下不斷“變身”。比如，在恒星強(qiáng)烈的紫外輻射照射下，碳原子會(huì)被高能光子“擊中”，失去電子，化身為電離碳C?，即光致電離；當(dāng)遠(yuǎn)離輻射源、環(huán)境逐漸安靜下來時(shí)，碳又會(huì)通過電子復(fù)合和化學(xué)反應(yīng)，重新“找回”電子，變成中性原子碳C?。

光致電離。

而在被塵埃和氣體層層遮蔽、光線難以抵達(dá)的分子云深處，碳則進(jìn)一步與氧結(jié)合，生長(zhǎng)為相對(duì)穩(wěn)定的一氧化碳分子CO。不過，這種穩(wěn)定并非一成不變——一旦暴露在紫外光下，CO分子同樣可能被光子打斷化學(xué)鍵，重新離解成原子態(tài)，即光致離解。

光致離解。

就這樣，宇宙中不同的環(huán)境仿佛一只無形卻有力的手，持續(xù)推動(dòng)著C?、C?和CO之間的相互轉(zhuǎn)化，編織出一條循環(huán)往復(fù)的“宇宙碳的奇幻漂流”。

碳的主要三種形態(tài)，會(huì)不斷“變身”。

要真正追蹤碳的這三種形態(tài)，天文學(xué)家并不依賴我們熟悉的可見光，而是轉(zhuǎn)向亞毫米波譜線觀測(cè)。正是這些不同狀態(tài)的碳元素在亞毫米波波段發(fā)出的“獨(dú)特指紋”，科研人員才能像拼拼圖一樣，將它們?cè)谛请H空間中的位置逐一還原，繪制出電離碳、原子碳和分子碳在分子云及其周圍的立體分布圖。

大質(zhì)量恒星的反饋回響

在最新的研究中，科研團(tuán)隊(duì)把目光投向了兩個(gè)典型的觸發(fā)式大質(zhì)量恒星形成區(qū)——RCW 79和RCW 120。

背景三色圖：1.3GHz射電連續(xù)譜輻射（紅色）、8微米（綠色）和24微米紅外輻射 （藍(lán)色）。黃色等高線：ATE60 CO(4-3)@461GHz。青色等高線：ATE60 [CI](3P?-3P?)@493GHz。（圖/龔龑 等）

大質(zhì)量恒星就像宇宙中的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。它們一生短暫卻能量驚人，通過強(qiáng)烈的輻射、恒星風(fēng)，甚至最終的超新星爆發(fā)，不斷向周圍空間“注入能量”。這種被稱為恒星反饋的過程，一方面可以壓縮周圍氣體，觸發(fā)新一代恒星的誕生；另一方面又可能吹散分子云，抑制恒星形成。

正是在這種“既創(chuàng)造、又破壞”的雙重作用下，星際云的結(jié)構(gòu)被重塑，元素在不同形態(tài)間循環(huán)，星系得以長(zhǎng)期、有序地演化。可以說，沒有大質(zhì)量恒星的反饋，宇宙將失去驅(qū)動(dòng)變化的關(guān)鍵動(dòng)力。

而RCW 79和RCW 120堪稱大質(zhì)量恒星反饋?zhàn)饔米钪庇^、最迷人的展示之一。科研團(tuán)隊(duì)對(duì)這兩個(gè)恒星形成區(qū)開展了系統(tǒng)而深入的亞毫米波觀測(cè)，并把目光鎖定在兩條“關(guān)鍵信號(hào)”上：一條是460GHz的一氧化碳轉(zhuǎn)動(dòng)譜線，用來描繪分子氣體的主體分布；另一條是492GHz的中性碳原子精細(xì)結(jié)構(gòu)線，用來追蹤原子的 “碳痕跡”；同時(shí)，研究還結(jié)合了電離碳的檔案觀測(cè)數(shù)據(jù)，補(bǔ)全了碳循環(huán)中缺失的一環(huán)。

觀測(cè)結(jié)果顯示，在高消光區(qū)域——也就是可見光幾乎被塵埃完全遮蔽的地方，C?相對(duì)于CO的含量顯著升高。這表明，大質(zhì)量恒星釋放的紫外輻射正在持續(xù)作用于周圍的分子氣體，將原本穩(wěn)定的CO分子光致離解，從而改變了星際介質(zhì)的化學(xué)組成。

深入分子云內(nèi)部的紫外光

這一觀測(cè)結(jié)果引出了一個(gè)關(guān)鍵問題：紫外光究竟能在多大程度上深入高度遮蔽的分子云內(nèi)部？

一種常見的解釋認(rèn)為，如果光致離解區(qū)的分子氣體在空間中近似均勻分布，那么在高消光區(qū)域，紫外光子會(huì)被塵埃和氣體有效吸收，難以向內(nèi)傳播，光致離解過程自然應(yīng)當(dāng)十分有限。

而另一種同樣被廣泛討論的觀點(diǎn)則認(rèn)為，光致離解區(qū)并非連續(xù)致密，而是由團(tuán)塊狀的分子氣體構(gòu)成。在這種結(jié)構(gòu)下，分子云更像是一塊“多孔的海綿”：致密的氣體團(tuán)塊之間夾雜著低密度通道。恒星產(chǎn)生的紫外光子，正是沿著這些通道深入原本高度遮蔽的區(qū)域，依然能夠高效地離解CO，生成中性的碳原子，從而導(dǎo)致原子碳含量的顯著增加。

南極冰穹A的觀測(cè)結(jié)果，正為這種團(tuán)塊狀光致離解區(qū)模型提供了有力的觀測(cè)支持。它表明，恒星的輻射影響可以比想象中走得更遠(yuǎn)，也更深入，持續(xù)重塑分子云的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成。這一發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對(duì)恒星如何反過來塑造其“出生地”的理解，也為描繪宇宙中不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的碳循環(huán)圖景，提供了一個(gè)關(guān)鍵而直觀的觀測(cè)切入點(diǎn)。

冰與火之歌

這項(xiàng)成果不僅是一項(xiàng)重要的科學(xué)成果，也標(biāo)志著我國在極端環(huán)境天文觀測(cè)和亞毫米波關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面取得了重要進(jìn)步。

在極寒之地，亞毫米波之火正悄然燃起；在浩瀚宇宙中，碳的奇幻漂流，仍在繼續(xù)。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

撰文：龔龑、鐘家強(qiáng)等

#參考來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea9433

https://www.science.org/content/article/chinese-telescope-antarctica-probes-uncharted-heavenly-radiation

https://phys.org/news/2026-01-antarctic-submillimeter-telescope-enables-view.html#google_vignette

#圖片來源：

封面圖/首圖：龔龑 等

插圖：龔龑（圖片由AI制作）