在南極，追蹤碳的星際旅程

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

2026年1月7日，在一篇發表于《科學進展》的研究中，中國科學院紫金山天文臺牽頭的科研團隊報道了，他們在南極冰穹A捕捉到了來自遙遠宇宙的微弱信號，點亮了南極冰穹A亞毫米波天文學觀測的“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”，提供了重要的觀測視角。

什么是亞毫米波天文學？

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

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

為了量化水汽對觀測的影響，科學家引入了一個重要指標：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，無論望遠鏡做得多大、多先進，都無法從地面獲得有科學意義的亞毫米波天文信號。

正因如此，亞毫米波天文學對觀測臺址提出了近乎苛刻的要求：極端干燥、極高海拔、極其穩定的大氣條件。放眼全球，真正滿足這些條件的地點屈指可數，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”的環境特征，使它成為亞毫米波天文學的理想之地——大氣中的水汽被壓縮到極低水平，大幅削弱了對亞毫米波的吸收。

盡管南極冰穹A是“觀測天堂”，但也是人類最難抵達的地方之一。終年嚴寒、極低氣壓、無人生存的環境，使得任何科學活動都面臨巨大挑戰。直到2005年，中國極地科考隊才首次成功抵達南極冰穹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境中開展亞毫米波天文觀測，科研人員面臨著諸多挑戰。

首先，一個非常現實的問題是：電從哪里來、儀器能不能長期穩定工作。為此，紫金山天文臺自主研制了低功耗超導接收機，這種接收機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電和簡易供電系統，也能夠開展真正有科學價值的亞毫米波觀測。

其次，在南極冰穹A，沒有常駐人員、沒有隨時可用的維護條件，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境中完成設備安裝、調試與運行。正因如此，天文學家們前赴后繼，主動加入中國南極科考遠征隊，將天文觀測真正帶上這片冰原。

南極科考。

在第39次、第40次和第41次中國南極內陸科學考察中，紫金山天文臺先后派科研人員隨內陸隊昆侖站隊奔赴南極冰穹A。他們分別攜帶南極太赫茲探路者30厘米望遠鏡（ATE30）和60厘米望遠鏡（ATE60），在極端環境下完成了望遠鏡的部署、調試與觀測運行。正是這些一次次“人隨設備走”的遠征式努力，最終讓亞毫米波天文觀測在南極冰穹A從設想變為現實。

紫金山天文臺自主研發的設備——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

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，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存在的，主要以三種物理形態出現：電離碳（C?），原子碳（C?），分子碳——最常見的載體是——氧化碳分子（CO）。

這三種形態并非靜止不變，而是在恒星輻射、化學反應、宇宙線等作用下不斷“變身”。比如，在恒星強烈的紫外輻射照射下，碳原子會被高能光子“擊中”，失去電子，化身為電離碳C?，即光致電離；當遠離輻射源、環境逐漸安靜下來時，碳又會通過電子復合和化學反應，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、光線難以抵達的分子云深處，碳則進一步與氧結合，生長為相對穩定的一氧化碳分子CO。不過，這種穩定并非一成不變——一旦暴露在紫外光下，CO分子同樣可能被光子打斷化學鍵，重新離解成原子態，即光致離解。

光致離解。

就這樣，宇宙中不同的環境仿佛一只無形卻有力的手，持續推動著C?、C?和CO之間的相互轉化，編織出一條循環往復的“宇宙碳的奇幻漂流”。

碳的主要三種形態，會不斷“變身”。

要真正追蹤碳的這三種形態，天文學家并不依賴我們熟悉的可見光，而是轉向亞毫米波譜線觀測。正是這些不同狀態的碳元素在亞毫米波波段發出的“獨特指紋”，科研人員才能像拼拼圖一樣，將它們在星際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。

大質量恒星的反饋回響

在最新的研究中，科研團隊把目光投向了兩個典型的觸發式大質量恒星形成區——RCW 79和RCW 120。

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

大質量恒星就像宇宙中的“發動機”。它們一生短暫卻能量驚人，通過強烈的輻射、恒星風，甚至最終的超新星爆發，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“既創造、又破壞”的雙重作用下，星際云的結構被重塑，元素在不同形態間循環，星系得以長期、有序地演化。可以說，沒有大質量恒星的反饋，宇宙將失去驅動變化的關鍵動力。

而RCW 79和RCW 120堪稱大質量恒星反饋作用最直觀、最迷人的展示之一。科研團隊對這兩個恒星形成區開展了系統而深入的亞毫米波觀測，并把目光鎖定在兩條“關鍵信號”上：一條是460GHz的一氧化碳轉動譜線，用來描繪分子氣體的主體分布；另一條是492GHz的中性碳原子精細結構線，用來追蹤原子的 “碳痕跡”；同時，研究還結合了電離碳的檔案觀測數據，補全了碳循環中缺失的一環。

觀測結果顯示，在高消光區域——也就是可見光幾乎被塵埃完全遮蔽的地方，C?相對于CO的含量顯著升高。這表明，大質量恒星釋放的紫外輻射正在持續作用于周圍的分子氣體，將原本穩定的CO分子光致離解，從而改變了星際介質的化學組成。

深入分子云內部的紫外光

這一觀測結果引出了一個關鍵問題：紫外光究竟能在多大程度上深入高度遮蔽的分子云內部？

一種常見的解釋認為，如果光致離解區的分子氣體在空間中近似均勻分布，那么在高消光區域，紫外光子會被塵埃和氣體有效吸收，難以向內傳播，光致離解過程自然應當十分有限。

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

南極冰穹A的觀測結果，正為這種團塊狀光致離解區模型提供了有力的觀測支持。它表明，恒星的輻射影響可以比想象中走得更遠，也更深入，持續重塑分子云的結構與化學組成。這一發現不僅加深了我們對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轉的碳循環圖景，提供了一個關鍵而直觀的觀測切入點。

冰與火之歌

這項成果不僅是一項重要的科學成果，也標志著我國在極端環境天文觀測和亞毫米波關鍵技術研發方面取得了重要進步。

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。

#創作團隊：

撰文：龔龑、鐘家強等

#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）