NASA SPHEREx任務：揭開宇宙冰封之水的奧秘

美國國家航空暨太空總署（NASA）即將啟動的SPHEREx任務，將深入宇宙追蹤冰封水與生命必需分子的蹤跡。這項任務將利用獨特的3D光譜技術，掃描孕育恆星與行星的分子雲，揭示冰的形成與演化過程。透過觀測數百萬個目標，SPHEREx將繪製出史上最大規模的星系冰凍化合物地圖，進一步深化我們對行星形成與水起源的理解。過去任務發現的氣態水遠少於預期，暗示大量水可能隱藏在冰粒中，而SPHEREx將揭開這些隱藏的秘密。

地球上所有生物都依賴水生存，因此當科學家探索太陽系外的生命時，他們往往遵循一個關鍵原則：追蹤水的蹤跡。SPHEREx任務全名為「宇宙歷史、再電離時期與冰探測光譜儀」，預計於3月7日發射，支援這項探索。任務將搭乘SpaceX的獵鷹9號火箭，從加州范登堡太空軍基地升空，掃描宇宙中的冰凍水、二氧化碳、一氧化碳及其他關鍵分子。這些化合物存在於氣體與塵埃雲中的微小塵粒表面，這些區域正是恆星與行星形成的搖籃。

雖然宇宙中沒有漂浮的海洋或湖泊，但科學家認為，宇宙中的水大多以冰的形式存在，附著於這些微小的塵粒上。事實上，地球海洋中的水，以及銀河系其他行星與衛星上的水，很可能都源自於這些冰封的儲藏庫。SPHEREx將聚焦於被稱為分子雲的龐大氣體與塵埃區域，並在這些雲層中檢視新形成的恆星及其周圍的行星形成物質盤。

儘管NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡及已退役的史匹哲太空望遠鏡曾偵測到特定目標中的水、二氧化碳與一氧化碳，但SPHEREx是首個設計用於大規模巡天、繪製宇宙冰凍化合物地圖的任務。與傳統的2D影像不同，SPHEREx將沿視線方向收集3D資料，讓科學家能觀察分子雲中的冰含量，並分析冰的組成在不同環境中的變化。

透過超過900萬次的視線觀測，SPHEREx將建立史上最大規模的冰凍化合物調查，幫助科學家更深入理解這些化合物如何在塵粒上形成，以及不同環境如何影響其豐度。行星與恆星的組成理應反映其形成的分子雲，但研究人員仍在確認行星形成過程的細節，而宇宙往往超出科學家的預期。例如，NASA於1998年發射的次毫米波天文衛星（SWAS）曾偵測銀河系中的氣態水，包括分子雲中的水，但發現的量遠少於預期。

「這讓我們困惑了一段時間，」哈佛-史密森尼天體物理中心資深天文學家、SPHEREx科學團隊成員Gary Melnick表示。研究團隊最終意識到，SWAS偵測到的氣態水僅存在於分子雲表面的薄層，暗示雲層內部可能儲存了大量冰封的水。這項假設也與SWAS偵測到的氧氣量少於預期的結果相符，研究人員推測氧原子附著於星際塵粒上，並與氫原子結合形成水。後續研究證實了這一點，且分子雲能保護這些化合物免受宇宙輻射的破壞。

當星光穿過分子雲時，水與二氧化碳等分子會阻擋特定波長的光，形成獨特的光譜特徵，SPHEREx與韋伯等任務可透過吸收光譜技術識別這些特徵。除了提供更詳細的冰凍化合物豐度資料，SPHEREx還將幫助研究人員解答冰在分子雲中形成的深度、水與其他冰的豐度如何隨分子雲密度變化，以及恆星形成後這些豐度如何改變等問題。

作為巡天望遠鏡，SPHEREx設計用於快速觀測大範圍天空，其資料可與韋伯等目標望遠鏡的資料結合使用。韋伯雖然觀測範圍較小，但能提供更高解析度的細節。Melnick表示，若SPHEREx發現特別有趣的區域，韋伯可進一步以更高的光譜解析度與SPHEREx無法偵測的波長進行研究，兩者將形成高效的合作夥伴關係。

SPHEREx是由NASA噴射推進實驗室（JPL）管理的紅外線太空望遠鏡，旨在巡天搜尋銀河系中的冰凍水與其他關鍵分子。這項任務由BAE Systems（前身為Ball Aerospace）建造，將進行大規模光譜調查，繪製星際冰、碳化合物及恆星與行星形成條件的圖譜。全球科學家團隊，包括來自美國10所機構、韓國2所機構及臺灣1所機構的研究人員，將共同分析資料。任務首席研究員任職於加州理工學院，並兼任JPL職務。SPHEREx的資料將由加州理工學院的IPAC處理與存檔，並透過NASA/IPAC紅外線科學檔案庫公開，為全球天文學家提供前所未有的資源。