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一個由法國巴黎薩克雷大學的年輕科學家瑪麗恩·詹尼斯（Marion Zannese）牽頭的一個國際合作團隊剛剛發現有大量水分子在位于獵戶座星云中心的一個行星形成盤中被大量地破壞然后又重新形成的漂亮證據。這一發現得益于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（簡稱韋伯望遠鏡）的高質量觀測和量子物理計算的支持。此研究工作是韋伯望遠鏡早期科學項目PDRs4All1的一部分，近日在Nature Astronomy發表。中國科學院云南天文臺駐中國科學院南美天文中心訪問學者何金華研究員參與了該研究。
水是孕育生命的關鍵成分。在地球上，我們海洋中的水大都是遠在太陽系誕生之前就在星際空間里溫度低于零下250攝氏度的冷區域中就已經形成了的。但是，很可能在我們的太陽系還是一個繞著嬰兒期太陽旋轉的氣體塵埃盤的時候，有一部分水會經歷一個在溫度達到100-500攝氏度的高溫環境中浴火重生的過程。
為了理解這個高溫水循環之謎，這些天文學家將韋伯望遠鏡指向了被視作行星搖籃的獵戶座大星云中一個編號為d203-506的原行星盤。他們發現，它近旁的大質量恒星發出的強烈紫外線確實正在這個原行星盤中快速地摧毀并重新產生水分子，把這個天體打造成了一個有趣的星際化學實驗室。
但是，在距離我們1000光年的如此遙遠的地方發生的水分子的形成和破壞過程，如何才能夠被我們觀測到呢？他們與量子物理專家2的合作，就是贏得這一挑戰的關鍵。當水分子（H2O）被紫外線破壞時，一個處于高速旋轉狀態的羥基分子（OH）將被釋放出來。然后羥基分子將在這些很高的能級上發生轉動能級躍遷，其所產生的一系列中紅外譜線輻射（波長10微米左右）被韋伯望遠鏡捕捉到了。在d203-506這個年輕的天體中，每個月就有相當于一個地球海洋的巨量水分子以這種方式被紫外線破壞。
但是，故事到這里還未結束。韋伯望遠鏡同時在近紅外波段（波長3微米左右）還觀測到了羥基分子（OH）以類似機制發射的另一組譜線，表明有大量羥基分子正在通過高溫氣體中氧原子與氫分子的化學反應（O+H2）來形成。羥基分子將與氫分子進一步反應（OH+H2）產生水分子，因此羥基分子扮演了合成水的化學中介。這就構成了一個完整的水分子化學循環。很可能我們地球海洋中的一些水分子就經歷過了這樣一個高溫水循環過程的加工處理。
漢語翻譯：何金華
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左圖和中圖展示了韋伯太空望遠鏡觀測的獵戶座大星云中的d203-506這個年輕的盤天體的圖像?PDRs4All。右圖的動畫示意水分子的破壞和再形成過程是如何被韋伯太空望遠鏡觀測到的。? 瑪麗恩·詹尼斯（M. Zannese）
參考文獻
OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks
Marion Zannese, Beno?t Tabone, Emilie Habart, Javier R. Goicoechea, Alexandre Zanchet, Ewine F. van Dishoeck, Marc C. van Hemert, John H. Black, Alexander G. G. M. Tielens, A. Veselinova, P. G. Jambrina, M. Menendez, E. Verdasco, F. J. Aoiz, L. Gonzalez-Sanchez, Boris Trahin, Emmanuel Dartois, Olivier Berné, Els Peeters, Jinhua He（何金華）, Ameek Sidhu, Ryan Chown, Ilane Schroetter, Dries Van De Putte, Amélie Canin, Felipe Alarcón, Alain Abergel, Edwin A. Bergin, Jeronimo Bernard-Salas, Christiaan Boersma, Emeric Bron, Jan Cami, Daniel Dicken, Meriem Elyajouri, Asunción Fuente, Karl D. Gordon, Lina Issa, Christine Joblin, Olga Kannavou, Baria Khan, Ozan Lacinbala, David Languignon, Romane Le Gal, Alexandros Maragkoudakis, Raphael Meshaka, Yoko Okada, Takashi Onaka, Sofia Pasquini, Marc W. Pound, Massimo Robberto, Markus R?llig, Bethany Schefter, Thiébaut Schirmer, Sílvia Vicente, Mark G. Wolfire
論文鏈接：Nature Astronomy 23 February 2024
*注釋1：PDRs4All項目(https://pdrs4all.org/)是美國宇航局（NASA）遴選的用于展示韋伯太空望遠鏡觀測能力的13個早期研究項目（Early Release Science programmes，簡稱ERS）之一，由多個國際合作團隊聯合構成。