「羅塞塔」探秘地球上水的起源

科技 06-30

圖文來源於果殼

地球生命所必需的水來自何方？彗星上含水的物質似乎為我們提供了一些線索。

彗星也許是個適當的稱謂，但「臟雪球」確實形象得多。在巨大的橢圓形軌道上運動，彗星會周期性地從太陽系的外圍進入太陽系的腹地。當它們沐浴在陽光下時，就會有物質被蒸發出來，形成標誌性的彗尾。

幾個世紀以來，敬畏和恐懼是這些宇宙流浪者所帶給我們人類的感受，由此也激勵著科學家們想從近處一探彗星的究竟。因為彗星是數十億年前行星形成的遺存，是通往太陽系遙遠過去的一扇窗口。所以，2014年底當歐洲空間局的羅塞塔探測器抵達67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星（以下簡稱67P彗星）並從5.1億千米遠的地方發回首批數據的時候，行星科學家們意識到一座寶藏行將被打開。

現實並沒有讓科學家失望。「羅塞塔」出乎意料地發現，67P彗星幾乎沒有磁場，而它表面上的一些特徵似乎是經由風吹成的。不過，最有趣的發現來自67P彗星所包含的水，以及它對地球上水起源的重要意義。

「羅塞塔」探秘地球上水的起源

[圖片說明]：「羅塞塔」導航相機所拍攝的67P彗星。版權：ESA。

「羅塞塔」時間線

2004年3月：從法屬蓋亞那發射。

2005年3月：第一次飛掠地球借力。

2007年2月：低空飛掠火星。

2007年11月：第二飛掠地球借力。被誤認為近地小行星，命名為2007 VN84。

2008年9月：通過主小行星帶。

2009年11月：在2500千米的距離上第三次飛掠地球。

2011年6月：「羅塞塔」進入深空「休眠」，關閉大多數電子設備。

2014年1月：「羅塞塔」從深空沉睡並恢復與地球通信。

2014年8月：「羅塞塔」抵達67P彗星，在100千米的距離上尋找可行的著陸地點。

2014年11月：著陸器「菲萊」彈跳著著陸到67P彗星表面，固定用的魚叉並未被射出。

2015年3月：試圖聯繫「菲萊」，檢測其太陽能電池是否在67P彗星靠近太陽的過程中充電。

2015年6月：「菲萊」蘇醒，恢復與地面的聯繫。

彗星長期以來一直被認為是地球上水的重要來源。在地球的早期，其熾熱的地表會蒸發掉所有的水。為了解決這個問題，有理論提出，正是此後冰質天體——例如，彗星——大規模轟擊地球，才使得地球獲得了生命所必需的水。雖然大氣的風化和地殼的構造活動已經抹去了有關這些撞擊的證據，但月亮表面上的環形山卻告訴我們，在太陽系的遠古時期的確發生了大規模的撞擊事件。此外，彗星中的冰質物質還包含有富碳分子，為地球上的生命起源提供了「種子」。

然而，「羅塞塔」發現事實也許並不是這樣。即使是在做任何的分析之前，就有跡象表明67P彗星上的水與地球上的完全不同，因為此前它探測過67P彗尾中的水。

普通的水分子由一個氧原子和兩個氫原子結合而成。但是，偶爾地，這兩個氫原子中的一個或兩個被會氘取代。氘是氫的一種穩定的同位素，和氫相比它在原子核中多包含了一個中子。在地球上，大約每160個「重水」分子就與之對應有100萬個普通的水分子，這個比值被稱為氘氫比。

測量結果顯示67P彗星的氘氫比是地球上的3倍，由此確認了之前就已經露頭但卻一直懸而未決的爭議。1986年，歐洲空間局的喬托探測器造訪了哈雷彗星。間接的光譜測量顯示，哈雷彗星的氘氫比是地球上海水的2倍。對另外十幾顆彗星的類似研究也得到了相似的結果，唯一的例外是哈特利2號彗星，它的氘氫比與地球海水的相同。

這似乎表明地球上的水並非來自彗星，那它們又來自何方呢？雖然長期以來一直被排除在外，但小行星也許是一個替代方案。小行星的軌道位於火星和木星之間，其中距離地球較近且較大的都極其乾燥。雖然在地球上所發現的一些來自小行星帶外圍的隕石確實具有和地球相同的氘氫比，但該區域中小行星的數量根本不足以填滿地球上的海洋。

彗星：往右走

在2014年11月「羅塞塔」的菲萊著陸器降落到67P彗星的表面之後，它對那裡的氣體進行了採樣。不過由於它落在一片陰影區中，因此還沒有來得及鑽取固體樣本就沒電了。

對於確定67P彗星的確切成分，這一步至關重要。隨著67P彗星逐漸接近太陽，陽光漸漸增強並開始照射到「菲萊」的太陽能電池板。2015年6月中，它終於恢復了與地面的聯繫。也許它很快就會邁出這重要的一步。

「羅塞塔」探秘地球上水的起源

[圖片說明]：太陽系中不同天體的氘氫比值。其中地球上的氘氫比明顯有別於彗星的。版權：ESA。

在很長的一段時間裡，這是科學界的主流觀點，直到工作在紅外波段的歐洲空間局的赫歇爾空間望遠鏡對最大的小行星穀神星進行了觀測。穀神星直徑約1000千米，現已被歸類為矮行星。

穀神星的軌道位於小行星帶的中間，呈橢圓形，到太陽的距離在約2.6～3個天文單位之間。1個天文單位相當於地球到太陽的平均距離。這一關鍵區域橫跨太陽系的雪線，在這一邊界之外陽光會減弱到能使得水凝結成冰晶。

穀神星就位於這樣一個非常特別的地方，在那裡的冰逐漸開始成為構建各行星的原材料。當你逐漸遠離太陽的時候，就會看到越來越多的冰晶。有著介於冰和岩石之間、每立方米約2000千克的密度，穀神星以及更遙遠的小行星，很有可能一半由岩石組成、另一半由冰組成。這些小行星可以為早期的地球提供大量的水。

2011年11月的首次觀測顯示它是一個令人失望的乾燥天體，但2012年10月的觀測則給出了不同的結果。天文學家探測到了非常強的水的信號，這是首次在小行星帶內探測到水。

這瞬間改變了穀神星的地位。在11個月的時間裡，它到太陽的距離從3個天文單位減小到了2.7個天文單位，進入了雪線以內，使得它的一些冰升溫蒸發。每秒約有6千克左右的水被釋放出來，環繞在穀神星的周圍形成了一個稀薄的大氣層，看上去就像是一顆彗星。事實上，如果彗星是臟雪球，那麼像穀神星這樣的小行星則看上去與之越來越相似。

美國宇航局的黎明探測器在2015年3月6日進入了環繞穀神星的軌道，開啟了對這顆矮行星為期16個月的探測旅程，為它的組成成分提供更多的線索。但無論「黎明」發現了什麼，地球上的水和有機分子已不太可能僅僅是由小行星撞擊而帶來的。天文學家認為，事情應該不會這麼簡單。

原因再一次地寫在了月球布滿環形山的臉上。太陽系演化的絕大多數模型都涉及巨行星——木星、土星、天王星和海王星，它們在進入目前的軌道之前會從其誕生地向內或者向外遷移。這些遷移會擾動彗星的軌道，把其中一些送入內太陽系。

因此，在地球的海洋中必定有一些是來自彗星的。這就像顏料，混紅色和黃色，就會得到橙色。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。

「羅塞塔」探秘地球上水的起源

[圖片說明]：67P彗星表面6處存在裸露水冰的區域。版權：ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA。

小行星：往左走

美國宇航局的黎明探測器抵達穀神星，激起了對這顆矮行星兼最大小行星的研究興趣。

隨著「黎明」環繞穀神星，它很快就會告訴我們更多有關這顆矮行星內部結構的信息，幫助確定其密度以及冰所佔的比例。它所攜帶的3台儀器會直接對穀神星上的水進行探測。它的照相機會勘測穀神星表面的冰沉積情況以及與過往的冰有關的地貌。它的分光儀會探測到穀神星表面礦物中水所發出的紅外輻射，尋找是否有有機物存在。最後，它攜帶的中子探測器會尋找穀神星表面和地下的水冰對其周圍岩石所釋放出中子的影響，這一技術此前已成功地應用於月球和火星。

美國宇航局並不是把目光投向小行星的唯一空間機構。2014年，日本發射了「隼鳥」2號探測器，按計劃會在2018年抵達小行星1999 JU3。除了勘測和分光觀測之外，它還會著陸到其表面並採集樣本。如果一切順利，這些樣本將於2020年被送回地球。

諸如1999 JU3這樣的C型小行星被認為是罕見的碳質球粒隕石的母體。這些隕石顏色深黑且富含有機分子，形成於有水存在的地方。總之，它們——也許以及它們的母體——似乎具有為地球上的海洋提供水並導致地球上生命起源的物質基礎。

那麼氘含量較少的水來自什麼地方呢？對這個問題的回答可能就在於對太陽系中「水循環」的認識。這一過程始於太陽和行星形成的最早階段——原始星雲時期。在這些星雲中，偶爾地原子會粘在一起，形成分子。溫度會決定水分子中氘的含量：溫度越低，氘含量越高。星雲的典型溫度在-220～-260℃之間，這時氘氫比至少是地球上的3倍。

在新生太陽的加熱下，一些水分子會被瓦解，然後再重組。這一過程會降低氘氫比。因此，在太陽系不同地方形成的天體可能擁有差異巨大的氘氫比，例如對彗星的觀測所顯示出的結果，而有一些彗星則撞上了地球。這些由彗星帶來的、有著高氘氫比的水與從地球內部釋放出的水相混合，形成了現在我們所看到的水。不過，這個想法仍有瑕疵。與穀神星距離相當的天體可能會擁有較低的氘氫比，但理論模型顯示，形成這些小行星所需要的時間太長。

無論事情的原委到底如何，「羅塞塔」所測得的水的結果也為67P彗星本身提供了新的線索。其極高的氘氫比表明，天文學家無意中發現了一個由太陽系中最原始物質所構成的天體。它所包含的水，或多或少是純來自星際空間的。

更多的細節可能要等待剛剛蘇醒的「菲萊」來揭開。不過，這一切讓我們更有理由對這些天體倍感敬畏和驚奇。研究彗星的妙處在於它們有著45億年的歷史，而一旦被加熱它們就會釋放出你在地球表面就能找到的物質。

67P/丘留莫夫-格拉西緬科

發現：1969年

類型：彗星

軌道：距離太陽1.9～8.5億千米

軌道周期：6.5年

自轉周期：12.5小時

外形：形似鴨子

組成：臟雪球、冰和塵埃尾

大小：約5×3千米

首次造訪：2014歐洲空間局羅塞塔任務