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“罗塞塔”探秘地球上水的起源
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Stuart Clark 文 Shea 编译 |
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地球生命所必需的水来自何方？彗星上含水的物质似乎为我们提供了一些线索。 彗星也许是个适当的称谓，但“脏雪球”确实形象得多。在巨大的椭圆形轨道上运动，彗星会周期性地从太阳系的外围进入太阳系的腹地。当它们沐浴在阳光下时，就会有物质被蒸发出来，形成标志性的彗尾。 几个世纪以来，敬畏和恐惧是这些宇宙流浪者所带给我们人类的感受，由此也激励着科学家们想从近处一探彗星的究竟。因为彗星是数十亿年前行星形成的遗存，是通往太阳系遥远过去的一扇窗口。所以，2014年底当欧洲空间局的罗塞塔探测器抵达67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星（以下简称67P彗星）并从5.1亿千米远的地方发回首批数据的时候，行星科学家们意识到一座宝藏行将被打开。 现实并没有让科学家失望。“罗塞塔”出乎意料地发现，67P彗星几乎没有磁场，而它表面上的一些特征似乎是经由风吹成的。不过，最有趣的发现来自67P彗星所包含的水，以及它对地球上水起源的重要意义。  [图片说明]：“罗塞塔”导航相机所拍摄的67P彗星。版权：ESA。
彗星长期以来一直被认为是地球上水的重要来源。在地球的早期，其炽热的地表会蒸发掉所有的水。为了解决这个问题，有理论提出，正是此后冰质天体——例如，彗星——大规模轰击地球，才使得地球获得了生命所必需的水。虽然大气的风化和地壳的构造活动已经抹去了有关这些撞击的证据，但月亮表面上的环形山却告诉我们，在太阳系的远古时期的确发生了大规模的撞击事件。此外，彗星中的冰质物质还包含有富碳分子，为地球上的生命起源提供了“种子”。 然而，“罗塞塔”发现事实也许并不是这样。即使是在做任何的分析之前，就有迹象表明67P彗星上的水与地球上的完全不同，因为此前它探测过67P彗尾中的水。 普通的水分子由一个氧原子和两个氢原子结合而成。但是，偶尔地，这两个氢原子中的一个或两个被会氘取代。氘是氢的一种稳定的同位素，和氢相比它在原子核中多包含了一个中子。在地球上，大约每160个“重水”分子就与之对应有100万个普通的水分子，这个比值被称为氘氢比。 测量结果显示67P彗星的氘氢比是地球上的3倍，由此确认了之前就已经露头但却一直悬而未决的争议。1986年，欧洲空间局的乔托探测器造访了哈雷彗星。间接的光谱测量显示，哈雷彗星的氘氢比是地球上海水的2倍。对另外十几颗彗星的类似研究也得到了相似的结果，唯一的例外是哈特利2号彗星，它的氘氢比与地球海水的相同。 这似乎表明地球上的水并非来自彗星，那它们又来自何方呢？虽然长期以来一直被排除在外，但小行星也许是一个替代方案。小行星的轨道位于火星和木星之间，其中距离地球较近且较大的都极其干燥。虽然在地球上所发现的一些来自小行星带外围的陨石确实具有和地球相同的氘氢比，但该区域中小行星的数量根本不足以填满地球上的海洋。
 [图片说明]：太阳系中不同天体的氘氢比值。其中地球上的氘氢比明显有别于彗星的。版权：ESA。 在很长的一段时间里，这是科学界的主流观点，直到工作在红外波段的欧洲空间局的赫歇尔空间望远镜对最大的小行星谷神星进行了观测。谷神星直径约1000千米，现已被归类为矮行星。 谷神星的轨道位于小行星带的中间，呈椭圆形，到太阳的距离在约2.6～3个天文单位之间。1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离。这一关键区域横跨太阳系的雪线，在这一边界之外阳光会减弱到能使得水凝结成冰晶。 谷神星就位于这样一个非常特别的地方，在那里的冰逐渐开始成为构建各行星的原材料。当你逐渐远离太阳的时候，就会看到越来越多的冰晶。有着介于冰和岩石之间、每立方米约2000千克的密度，谷神星以及更遥远的小行星，很有可能一半由岩石组成、另一半由冰组成。这些小行星可以为早期的地球提供大量的水。 2011年11月的首次观测显示它是一个令人失望的干燥天体，但2012年10月的观测则给出了不同的结果。天文学家探测到了非常强的水的信号，这是首次在小行星带内探测到水。 这瞬间改变了谷神星的地位。在11个月的时间里，它到太阳的距离从3个天文单位减小到了2.7个天文单位，进入了雪线以内，使得它的一些冰升温蒸发。每秒约有6千克左右的水被释放出来，环绕在谷神星的周围形成了一个稀薄的大气层，看上去就像是一颗彗星。事实上，如果彗星是脏雪球，那么像谷神星这样的小行星则看上去与之越来越相似。 美国宇航局的黎明探测器在2015年3月6日进入了环绕谷神星的轨道，开启了对这颗矮行星为期16个月的探测旅程，为它的组成成分提供更多的线索。但无论“黎明”发现了什么，地球上的水和有机分子已不太可能仅仅是由小行星撞击而带来的。天文学家认为，事情应该不会这么简单。 原因再一次地写在了月球布满环形山的脸上。太阳系演化的绝大多数模型都涉及巨行星——木星、土星、天王星和海王星，它们在进入目前的轨道之前会从其诞生地向内或者向外迁移。这些迁移会扰动彗星的轨道，把其中一些送入内太阳系。 因此，在地球的海洋中必定有一些是来自彗星的。这就像颜料，混红色和黄色，就会得到橙色。所以，如果有一些水其氘含量是地球上水的3倍，另一些水的氘含量是地球上水的1/3，按照1：1混合，就能得到地球上的水。 
那么氘含量较少的水来自什么地方呢？对这个问题的回答可能就在于对太阳系中“水循环”的认识。这一过程始于太阳和行星形成的最早阶段——原始星云时期。在这些星云中，偶尔地原子会粘在一起，形成分子。温度会决定水分子中氘的含量：温度越低，氘含量越高。星云的典型温度在-220～-260℃之间，这时氘氢比至少是地球上的3倍。 在新生太阳的加热下，一些水分子会被瓦解，然后再重组。这一过程会降低氘氢比。因此，在太阳系不同地方形成的天体可能拥有差异巨大的氘氢比，例如对彗星的观测所显示出的结果，而有一些彗星则撞上了地球。这些由彗星带来的、有着高氘氢比的水与从地球内部释放出的水相混合，形成了现在我们所看到的水。不过，这个想法仍有瑕疵。与谷神星距离相当的天体可能会拥有较低的氘氢比，但理论模型显示，形成这些小行星所需要的时间太长。 无论事情的原委到底如何，“罗塞塔”所测得的水的结果也为67P彗星本身提供了新的线索。其极高的氘氢比表明，天文学家无意中发现了一个由太阳系中最原始物质所构成的天体。它所包含的水，或多或少是纯来自星际空间的。 更多的细节可能要等待刚刚苏醒的“菲莱”来揭开。不过，这一切让我们更有理由对这些天体倍感敬畏和惊奇。研究彗星的妙处在于它们有着45亿年的历史，而一旦被加热它们就会释放出你在地球表面就能找到的物质。
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[New Scientist 2015年5月9日]
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2001-2016 火流星工作组制作
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