詹姆斯·韋布望遠鏡在銀河系外發現復雜有機化學環境

英國牛津大學與西班牙天體生物學中心（CAB）牽頭的一項最新研究顯示，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）在一座被塵埃嚴重遮蔽的紅外亮星系核中，探測到遠超理論預期的豐富小分子有機化合物，揭示出一種此前從未在銀河系外直接確認過的復雜有機化學環境。

研究人員指出，高能宇宙射線可能正在該星系深處不斷轟擊富碳塵粒和多環芳香烴（PAHs），將其打碎并源源不斷地產生較小的有機分子，使這些被深度埋藏的星系核成為宇宙中強有力的“有機分子生產中心”。

這項研究以超亮紅外星系 IRAS 07251–0248 為目標。該星系的中心區域被極其致密的氣體與塵埃包裹，以至于其中心超大質量黑洞及周圍活動在可見光波段幾乎完全被遮擋，常規望遠鏡難以窺探其內部情況。然而紅外波段的光可以穿透塵埃，詹姆斯·韋布望遠鏡利用這一優勢，對其埋藏星系核進行了深入觀測，從而得以判定在這一極端環境中究竟占主導地位的是何種化學過程。

研究團隊利用 JWST 的近紅外和中紅外光譜數據，對波長 3–28 微米范圍內的輻射進行了精細分析，結合 NIRSpec 和中紅外儀器獲得的譜線，識別出了氣相分子、冰態包裹物以及塵埃顆粒的特征“指紋”。通過對這些光譜特征的建模，科學家得以推算出星系核中多種化合物的豐度和溫度分布，繪制出一幅前所未有的“化學結構圖”。

結果顯示，該埋藏星系核內部存在種類異常豐富的小分子有機物，包括苯（C?H?）、甲烷（CH?）、乙炔（C?H?）、二乙炔（C?H?）和三乙炔（C?H?）等一系列含碳氫分子。團隊還首次在銀河系外直接探測到甲基自由基（CH?），這一發現進一步凸顯了該區域有機化學網絡的復雜程度。除氣相分子外，觀測還揭示出大量固態物質的存在，包括富碳塵粒和水冰等，為解釋碳元素的來源提供了重要線索。

論文第一作者、曾在牛津大學工作、目前就職于天體生物學中心的伊斯梅爾·加西亞?貝爾內特表示，觀測到的小分子有機物豐度遠高于現有理論模型的預期，暗示星系核中必須存在一個持續不斷的碳源，驅動著這張復雜而高效的化學網絡。團隊的分析顯示，僅靠高溫或湍流并不足以解釋這種化學富集現象，更合理的解釋是高能宇宙射線在其中扮演了關鍵角色。

借助牛津團隊開發的多環芳香烴理論模型和分析方法，研究人員發現，這些極端星系核中充斥著的宇宙射線，會頻繁撞擊 PAHs 和富碳塵粒，將原本更大的碳基結構擊碎，釋放出大量較小的有機分子進入氣體之中。在多座類似星系中，研究還發現烴類分子豐度與宇宙射線電離水平之間存在顯著相關性，這一統計證據進一步支持了“宇宙射線驅動的有機化學工廠”這一圖景。

雖然此次探測到的小分子有機物本身并不構成生命，但它們被認為是更高階“前生物化學”的關鍵原料之一。合著作者、牛津大學物理系教授迪米特拉·里戈普盧指出，這類小分子雖不會直接出現在活細胞中，但可能在形成氨基酸、核苷酸等生命基礎分子之前發揮重要作用，代表著由無機物走向復雜有機體系的關鍵中間環節。

研究人員據此提出，像 IRAS 07251–0248 這樣被厚厚塵埃掩埋的星系核，很可能在宇宙化學演化中扮演著遠比此前認識更為重要的角色。它們不僅是恒星與黑洞劇烈活動的能量中心，也可能是大規模有機分子合成與加工的“車間”，持續向星系內部甚至更廣闊的星際空間輸送多種有機化合物，從而影響整個星系的化學組成與演化軌跡。

這項工作展示了詹姆斯·韋布空間望遠鏡在探測極端環境下化學過程方面的獨特能力，使科學家得以首次系統地審視此前幾乎完全不可見的埋藏星系核化學活動。相關成果已發表于 2026 年 2 月 6 日的《自然·天文學》雜志，論文題為《埋藏星系核中豐富的烴類及碳質塵粒與多環芳香烴加工跡象》，進一步為理解碳與復雜有機分子在宇宙中如何生成和演化提供了關鍵觀測證據。