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

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)