地球上的水從哪來?小行星樣本給出了出人意料的答案_風聞
观察者网用户_244575-2019-05-08 09:57
原創:牧夫天文
原作:Monica Grady
翻譯:張雨荷
校譯:牧夫天文校對組
編排:葛明紅
原文鏈接:
https://theconversation.com/how-did-the-earth-get-its-water-asteroid-sample-gives-a-surprising-answer-116381
水對於地球上的生命來説至關重要,它也是我們賴以生存的最寶貴的自然資源。但是聯想到我們星球的形成過程,地球上仍然保留了很多水是一件令人驚奇的事。地球從一團氣體和塵埃(一顆原行星盤)中聚集而成。在最初的幾百萬年中,地球一直是熾熱的。地球表面由於彗星和小行星的撞擊一直保持熔融狀態,而內部由於引力加熱和放射性同位素衰變的共同作用也是保持液態(現在仍是這樣)。
這意味着,如果地球上曾經存在任何初始的水 (和有機化合物),它們應該會很快沸騰。那麼,為什麼今天我們的星球上仍有大量的水呢,它們究竟來自哪裏?發表在Science
Advances雜誌上的一項令人驚訝的新研究表明,一種被認為不含多少水的小行星可能會給出我們答案。研究同時表明,太陽系可能比我們之前想象的要潮濕得多。
長期以來,科學家們對地球上水的來源問題一直意見不一。一種理論認為,地球上的水可能是從與之碰撞的小行星和彗星中捕獲的。另一種理論則認為,水一直存在於地幔的岩石中,並通過火山逐漸釋放到地表。
圖注:小行星Itokawa
圖源:NASA/JPL
在日本的隼鳥(Hayabusa)計劃(https://en.wikipedia.org/wiki/Hayabusa)的幫助下,科學家們現在掌握了新的證據。2010年,隼鳥號航天器從小行星25143 Itokawa表面取回了一批珍貴的顆粒樣本。該項目的科研人員分析了其中兩個顆粒的含水量。他們使用了一種叫做離子微探針的精密儀器,用離子束轟炸樣品,以探測其表面組成。
實驗進行起來並不容易。顆粒很小,只有不到40微米寬,且每個顆粒都由幾種不同的礦物質組成。離子探針必須聚集在顆粒中的某種特定礦物上,才能夠收集所需的數據。他們分析出的礦物種類是一種含鐵和鎂的硅酸鹽,被稱為輝石,該礦物幾乎完全不含鈣。
這類物質通常難以與水聯繫到一起。事實上,它被認為是一種名義上“非水合礦物” (Nominally Anhydrous Minerals,NAM) (http://www.minsocam.org/MSA/RIM/rim62.html)。輝石晶體的晶格並不像粘土那樣含有水分子的空位,因此其結構並不利於吸收水分。然而,研究人員所使用的技術敏感性很高,使他們能夠檢測出並且測量這微量的水。
研究結果令人驚奇: 顆粒中含有高達1000 ppm的水。知道了Itokawa的成分後,研究人員估算出了整個小行星的含水量,結果介於160 ppm和510 ppm之間。這個結果比科學家們預期的要多:之前對兩個類似天體 (也是s 型小行星) 進行過遠程測量,其中一個含水30 ppm,另一個則含水300ppm。
不可能的來源
水是由氫和氧組成的。但這些元素以不同的同位素形式出現——這意味着它們的原子核中可能有不同數量的中子。研究人員研究了這些水的氫同位素組成,發現它與地球的氫同位素組成非常接近,表明地球上的水與隼鳥號帶回的顆粒上的水來源相同。
研究結果帶來了一些有趣的問題。首先,“非水合礦物”中怎麼出現了這麼多的水?文章作者認為,在它們形成的過程中,顆粒吸收了原行星盤中的氫,在太陽星雲的高温和高壓下,氫與礦物質中的氧結合產生了水。
圖注:兩顆被研究的Itokawa顆粒的原始形態。
圖源:JAXA(日本航天局),由Z. Jin編輯。
到目前為止,研究人員的猜測都是合理的。但水怎麼可能留在礦物中呢?它們畢竟來自於一顆 s 型小行星——一顆形成於太陽系內部較熱部分的小行星。Itokawa具有複雜的熱變質和碰撞歷史,温度至少高達900°C。 然而,研究人員使用了計算機模型來預測這些過程中會損失多少水 :結果卻不到總量的10%。
地球上的水
但是這一切與地球上的水有什麼關係呢? 據研究人員推測,在顆粒從原行星盤上吸收水分之後,這些礦物聚集在一起,形成小石塊,最終形成更大的天體,如小行星。
如果這種形成機制適用於小行星,它也可能適用於地球。也許地球上原始的水來自於這些礦物質,它們聚集在一起形成了地球。雖然水在地球早期的歷史中已經消失,但在與大量的S型小行星碰撞的過程中,水又增加了。地球和小行星Itokawa之間氫同位素組成的相似性就暗示了這一點。
對於地球上水的起源的舊題新觀給出了出人意料的結論。這個結論表明,大量的太陽系內部小行星可能含有比人們想象中更多的水。
因此,雖然太陽系裏到處都是水,但是因為它們隱藏在礦物質內部,我們也沒法取來解渴。
『天文時刻』 牧夫出品
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The Great Nebula in Carina Image Credit & Copyright: Dieter Willasch (Astro-Cabinet)