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地球之水來自彗星嗎?沒這麼簡單…
2023/07/27

地球上的水從何而來?一項關于一顆年輕恒星及其原行星盤的研究或許會指引我們找到答案。科學家已證實此行星盤中存在水的同位素,且與太陽系彗星中的成分相似。這表明,地球上的水有相當一部分不是來自太陽系內的彗星,而是來自比太陽更古老的星系。

關于地球上水的起源,科學界一直爭論不休。因為地球形成時所在的太陽原行星盤溫度很高,水蒸氣無法凝結成液態水。那麼,地球的水到底是從哪來的呢?一個主流觀點認為,它來自外太陽系的彗星和天體,在地球誕生之后才姍姍來遲。

最近,《自然》期刊發布的一項研究成果為破解這個難題提供了新的證據。該研究團隊觀察了一顆年輕的恒星及其原行星盤。原行星盤是圍繞新恒星形成的圓盤狀結構,由濃密的氣體與塵埃組成。若條件合適,這便會演化出新的行星系統。此研究證實,地球的水至少有一部分來源于太陽系之外。

V883 Orionis: artist’s impression of the protoplanetary disc around the star. (Courtesy: ESO/L Calçada)這一張藝術概念圖描繪了獵戶座V883周圍的原行星盤(圖源:ESO/L Calçada)

新研究成果或將揭示水的前世今生

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(圖片來源:equn.com)

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,簡稱ALMA)位于智利北部阿塔卡馬沙漠,是由射電望遠鏡構成的天文干涉儀。與過去的望遠鏡系統相比,ALMA在毫米及次毫米波段上能看到更暗的天體,同時能得到更高的影像分辨率。

研究團隊運用ALMA射電望遠鏡,在獵戶座V883周圍的原行星盤中發現了氣態水。這一重大發現填補了該領域的空白,我們也因此進一步了解行星系統形成時水的分布狀態。此外,我們也可以推測,地球上的水可能先于太陽誕生,比太陽還要古老。

約翰•托賓(John Tobin)是該研究的第一作者,也是美國國家射電天文台(National Radio Astronomy Observatory)的天文學家。他提到,在獵戶座V883觀測到的半重水與輕水的比例是此項研究的關鍵。輕水是普通的水,一個分子含有兩個氫原子,而在半重水的分子中,其中一個氫原子被氘取代。

普通水、重水與半重水分子(圖源:https://new.qq.com/rain/a/20230314A06ZSQ00)

托賓說:「我們平日里使用的自來水是含氘的,大概每3千個水分子就會有一個帶有氘原子。這數量可不小,如果水不是在太陽誕生前就已經存在于系外之地,那麼按照我們的估算,每5萬個水分子里才會有一個帶有氘原子。這表明地球上的水有很大一部分都是在太陽系外形成的。」

同位素比率:探究真相的關鍵數據

要勘破地球上水的來歷,最為關鍵的是要測出半重水與輕水的比例。之前,科學家已經測量了地球、彗星、原恒星、甚至星際空間的數值,而在這次調查獵戶座V883的行動中,科學家首次測量了原行星盤的同位素比率。

托賓指出,水到達地球的方式有兩種——化學繼承與化學重置。化學繼承模型給出的解釋如下:水在星際空間形成,之后轉移到原行星盤中,這個過程中同位素比率保持不變。而化學重置模型的闡釋是,原行星盤內生成的熱量使水分子分解,待盤內溫度降低,水分子就會重組。重組之后,同位素比率相比之前會有明顯變化。在系內分解重組的水分子,其同位素比率要比從系外轉移的低。

科學家在地球上測量的比率位于兩個模型給出的數值之間。正因如此,托賓和他的同僚熱衷于研究原行星盤中的同位素比率,希望能找到水從星際空間來到地球的證據。

原行星盤中首次發現液態水

托賓和他的團隊在智利北部用ALMA射電望遠鏡觀測獵戶座V883的原行星盤。獵戶座V883是一顆距離地球約1300光年的原恒星。原恒星是處于恒星演化早期階段的天體,它通過引力不斷聚集周圍的物質,使中心溫度升高,引發聚變核反應,最終變成太陽那樣的主序星。獵戶座V883比太陽亮200倍左右,有多余的熱量散發意味著原行星盤中的水是液態的。而在我們以前所調查的原行星盤中,水都是以冰的形式存在,而測量固態水的同位素比率要比液態水難得多。

ALMA在2021年對獵戶座V883進行了六個小時的觀測,研究人員也由此得以確定其原行星盤的同位素比率,一個與彗星以及更加年輕的原恒星系統十分相近的數值。

托賓認為,這項發現促使我們朝真相邁出了重要的一步。他解釋道:「彗星、原恒星和地球的同位素比率顯示,地球上水的同位素比率明顯高于宇宙空間中的比率。只有在寒冷的星際介質中漂浮的塵埃顆粒表面,才能形成同位素比率如此高的水。同位素比率偏高,且在恒星與行星的形成過程中相對穩定,這就意味著地球上大部分的水是在星際介質中形成的,然后維持著原始的狀態降臨到地球之上。」

所以說呢,古人說「黃河之水天上來」,這個天不僅僅是天空,也不僅僅是太陽系內部,還有更多是遙遠和遠古的宇宙。這麼想來,我們平常喝下一杯普通的水,也有這麼神奇的經歷。

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