這個小行星上發現了水！我們向星辰大海是不是邁出了一大步？
日本科學家最新研究發現，Itokawa小行星採樣樣本中含有水，並推測地球初期約一半海水來自類似的小行星碰撞而獲得。但這項研究仍然需要更多數據的支持和驗證，未來人類的太空旅行或因水源問題的解決而快速發展。
隨著新一輪各國對探索宇宙熱情的持續高漲，媒體和大眾對空間科學研究最新進展的關注度也不斷走高。近日一篇名為「來自小行星Itokawa的原始地球水源新線索（New clues to ancient water on Itokawa）」的學術論文在科學期刊《Science Advances》上發表並引發了各國社交媒體上的廣泛討論。這篇論文認為，地球上的早期水源很可能與小行星有關。
截圖來自：《New clues to ancient water on Itokawa》
那麼，這項研究的結論到底是如何得出的？除了小行星，太空中含有水的天體還有哪些？研究小行星中含有的水對於人類未來探索太空有什麼深遠意義？讀完這篇文章，你就會找到答案。
小行星Itokawa發現的水是什麼水？
2003年5月9日，日本JAXA（日本宇宙航空研究開發機構）的隼鳥號探測器駛向小行星Itokawa（糸川小行星，為了紀念日本火箭技術先驅者糸川英夫而命名），該探測器在經歷重重磨難後成功在其表面獲取了塵埃樣品。這是人類第一次在小行星表面直接採集樣品（1500個物質微粒）。返回地球後，隼鳥號密封艙採集器中收集的小行星表面微小塵埃，在其樣本研究分析伊始就被人們寄予厚望，科學家們認為它們之中很可能含有與地球生命起源有關的有機物。
小行星Itokawa：樣本來自中間被命名為Muses Sea的光滑區域，來源：JAXA
美國亞利桑那州立大學的宇宙化學家們在獲得隼鳥號採集的5個微粒樣品後對其進行了分析，並在兩個樣品（is104-Itokawa-0057和is109-Itokawa-0061）中驚喜的發現了輝石礦物。由於輝石礦物中大量存在的鏈狀硅酸鹽易於形成含水結構，他們敏銳地聯想到小行星樣品中同樣可能會有微量水的存在。
小行星Itokawa兩個研究樣本，圖片來源於網路
為了驗證這個想法，研究團隊使用Nano-SIMS（納米二次離子質譜技術）進行痕量檢測，並最終在這兩個樣品中檢測到接近千分之一（970 ± 93ppm和680 ± 65ppm）的水成分，這一結果大大超出此前的預期。之前科學家們一直認為，Itokawa小行星的母體曾經受超過800℃的高溫和災難性碰撞，並歷經太空中苛刻的溫度變化考驗。鑒於含水礦物的熱穩定性都非常差，此前科學家們曾堅信小行星中含水礦物存在的概率微乎其微。
Nano-SIMS質譜分析儀，來源：公有領域
該論文和實驗說明了什麼？
論文可以分為兩塊，前半部分是通過模型反演，論述和推斷小行星最初的含水量，後半部則是對文章觀點進行測試實驗的說明和推論。為了更好地反演小行星在初期的含水量，研究團隊分別根據Itokawa母體的歷史地質條件分別建立了熱擴散模型和衝擊碰撞模型。小行星母體採用半徑25千米的同心層狀模型，反演結果分別假定微粒埋藏狀態分別位於100米，1000米和10000米。
論文中假設成同心層狀的Itokawa母體模型（半徑25千米，每層厚度100米），來源：參考文獻2
反演結果表明，硅質小行星（S型小行星）的含水量遠遠超出我們此前的預計，並且在地球誕生初期，星雲盤內含有大量由橄欖石和輝石構成的S型小行星。根據這項研究結果，研究人員推測，在地球演變歷史的早期，類似Itokawa這樣的小行星撞擊地球後為地球帶來了大約一半的海水。
截圖來自：《New clues to ancient water on Itokawa》
研究人員在對兩個樣品進行水痕量檢測的同時，也對檢測到的水進行了D/H（氘/氫）同位素分析，這是論文下半部實驗主要說明的內容。研究團隊將實驗數據與地球和其他太陽系內可獲得的樣本中D/H同位素的含量進行了對比，發現其比例同地球海洋中氫同位素比值接近，這使得小行星中的水和地球的海洋建立了極好的相關性。
用於Nano-SIMS測試小行星樣本，來源：參考文獻2
這一成果為什麼能獲得世界各國的廣泛關注？
為什麼這一研究成果會獲得如此大的反響？假設該論文所論證的內容具有普遍意義，那麼小行星中的含水量將極為可觀。而且，更具誘惑力的是，在遊離於太空中的小型天體當中依然可能存在著類似的富水（冰）天體，有的甚至堪稱是飛翔的「大冰坨」。
在未來星際旅行中，我們可以在宇宙中從含水的小行星獲取水源，以減少必須攜帶水的基礎數量和補充在漫長旅行中損失的水量。如此一來，宇航員有了充足的水源，可以進行大規模的太空蔬菜培養，甚至還可以製作各種太空飲料，太空旅行的生存保障也會大幅度提高。
空間站，是目前人類運行時間最長的載人航天器，但距離太空旅行還遠遠不夠，來源：公有領域
從學術角度來說，小行星
含水量的測量結果還需要更多數據支撐
必須得說明的是，以上的種種美好暢想都是建立在該研究成果所推測的內容能夠成立的基礎上，然而目前該理論還有諸多問題。比如人類對地球內部岩石含水量的認識還很淺顯，我們對地球上水的知識僅僅局限於地表水。地球水圈的平均深度不超過10千米，同地球6500千米半徑相比不足千分之二，即使地球岩石中達到與小行星Itokawa類似含量的結晶水，其總量也應該遠遠超出地表的水圈總量，這點是該論文里沒有提及的。即便如論文所說的小行星是地球原始水的來源之一，那麼其貢獻對於整個地球水的佔比仍需要更精確的實驗和計算。
此外也存在一定的爭議：小行星中的水分和揮發物是否會在撞擊後散失？該樣本中的水到底是來自哪裡？單單一個實驗或是一篇論文的力量還不足以證明地球上的水來自這樣的小行星。
該論文目前最讓學術界質疑的地方，還是實驗樣本太少使其結論難以堅挺，目前僅有的兩組實驗數據並不能說明太多的問題。只有等到獲得更多的證據支持，結果才能更令人信服。值得注意的是，相關的小行星探測計劃仍在持續，我們很快就會得到更多的樣品。
正在使用機械臂在bennu小行星採集樣品的小行星探測器OSIRIS-Rex，圖片來源：公有領域
預計在2020年返回的隼鳥2號探測器（由JAXA發射，探測目標是小行星Ryugu）和2023年返回的OSIRIS-Rex探測器（由NASA發射，探測目標是小行星Bennu）都將為我們帶來更多令人期待的收穫，其中OSIRIS-Rex探測器最多可收集2千克的海量樣本，這對於科學家的相關研究必定大有幫助。
地球之外的其他星球含水很少么？
海洋佔據地球表面的四分之三，地球也因此被稱為是藍色星球。但太陽系中含有水的星球並不少，比如有證據表明離我們較近的火星南極冰蓋下面存在一個液態湖，在月球永久陰影區也發現了固態冰存在的跡象。單純以太陽系而言，理論上含水的天體同樣不在少數，光譜數據顯示，對於太陽系而言，氫（H）含量最高，氦（He）次之，然後就是氧（O）含量，雖然太陽本身佔據了絕大部分比例（特別是氫和氦），但依然為整個太陽系水的存在提供了巨大可能性。
太陽系元素丰度，來源：公有領域，編者翻譯
在距太陽3個天文單位（地球到太陽間的距離為一個天文單位）以外的位置，即便天體質量較小，難以依靠萬有引力束縛氣體，仍有大量固態水存在的可能。且與太陽的距離越遠，輕質元素的含量越高，H和O的比例甚至比地球的還要高。
火星極地冰蓋之下發現巨大的液態湖泊，其跨度為20公里。圖源：網路
太陽系中游吟詩人一樣的彗星就接近一個由固態的水、氨、甲烷等物質和硅酸鹽礦物微粒團在一起的「臟雪球」。更大一些星體中，像木星衛星中的「木衛二」「木衛三」「木衛四」以及土星和其衛星「土衛一」「土衛二」「土衛三」「土衛四」這些星體，其外觀形態更接近一個冰球，在厚厚的冰殼下面可能蘊藏有大量液態水。當然人類的探測還不夠深入，無法確定這些天體是否也有生命存活。目前太陽系中只有像地球這樣，在地表擁有大量液態水才更適合生命的出現和發展。
飛往星辰大海，目前人類需要的水從哪裡來？
短時間，宇宙中其他天體中的水我們是指望不上了，那麼，目前載人太空探索中使用的水從哪裡來呢？
載人飛船攜帶的宇航員飲用水，圖片來源：公有領域
載人航天器中需要的水都是從地球帶上太空的，當然，由於人在太空中生存需要大量的水，而太空飛船攜帶能力有限，用水成本極為高昂，一升水進入太空的成本在5萬美元左右。所以航天員在地面就會進行節水訓練，對於短期航天任務，能少用點就少用點唄。但是像駐留太空站一類需要長時間生活在太空中的任務，僅僅需要節流是不夠的，還需要開源。對此，只能依賴複雜的水循環利用系統，採集航天員的體液或廢水，循環過濾出飲用水，提高水的利用率，當真是一滴汗都摔成八瓣花。
嗯，所以說，水資源，地球上寶貴，離開地球更寶貴！人類要想在太空中走得更遠、待得更久，水源的問題是絕對要解決的。
參考文獻
1. New clues to ancient water on Itokawa, Science Advances, 2019
2. Supplementary Materials for New clues to ancient water on Itokawa, Science Advances, 2019
3. The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes，Science 2019
作者：荊博 中國建築材料工業地質勘查中心 高級工程師
審稿：趙中寶 中國地質科學院 助理研究員
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