地球上的水从哪来？小行星样本给出了出人意料的答案_风闻

原创：牧夫天文

原作：Monica Grady

翻译：张雨荷

校译：牧夫天文校对组

编排：葛明红

原文链接：

https://theconversation.com/how-did-the-earth-get-its-water-asteroid-sample-gives-a-surprising-answer-116381

水对于地球上的生命来说至关重要，它也是我们赖以生存的最宝贵的自然资源。但是联想到我们星球的形成过程，地球上仍然保留了很多水是一件令人惊奇的事。地球从一团气体和尘埃（一颗原行星盘）中聚集而成。在最初的几百万年中，地球一直是炽热的。地球表面由于彗星和小行星的撞击一直保持熔融状态，而内部由于引力加热和放射性同位素衰变的共同作用也是保持液态（现在仍是这样）。

这意味着，如果地球上曾经存在任何初始的水 (和有机化合物)，它们应该会很快沸腾。那么，为什么今天我们的星球上仍有大量的水呢，它们究竟来自哪里？发表在Science

Advances杂志上的一项令人惊讶的新研究表明，一种被认为不含多少水的小行星可能会给出我们答案。研究同时表明，太阳系可能比我们之前想象的要潮湿得多。

长期以来，科学家们对地球上水的来源问题一直意见不一。一种理论认为，地球上的水可能是从与之碰撞的小行星和彗星中捕获的。另一种理论则认为，水一直存在于地幔的岩石中，并通过火山逐渐释放到地表。

图注：小行星Itokawa

图源：NASA/JPL

在日本的隼鸟（Hayabusa）计划（https://en.wikipedia.org/wiki/Hayabusa）的帮助下，科学家们现在掌握了新的证据。2010年，隼鸟号航天器从小行星25143 Itokawa表面取回了一批珍贵的颗粒样本。该项目的科研人员分析了其中两个颗粒的含水量。他们使用了一种叫做离子微探针的精密仪器，用离子束轰炸样品，以探测其表面组成。

实验进行起来并不容易。颗粒很小，只有不到40微米宽，且每个颗粒都由几种不同的矿物质组成。离子探针必须聚集在颗粒中的某种特定矿物上，才能够收集所需的数据。他们分析出的矿物种类是一种含铁和镁的硅酸盐，被称为辉石，该矿物几乎完全不含钙。

这类物质通常难以与水联系到一起。事实上，它被认为是一种名义上“非水合矿物” (Nominally Anhydrous Minerals，NAM) （http://www.minsocam.org/MSA/RIM/rim62.html）。辉石晶体的晶格并不像粘土那样含有水分子的空位，因此其结构并不利于吸收水分。然而，研究人员所使用的技术敏感性很高，使他们能够检测出并且测量这微量的水。

研究结果令人惊奇: 颗粒中含有高达1000 ppm的水。知道了Itokawa的成分后，研究人员估算出了整个小行星的含水量，结果介于160 ppm和510 ppm之间。这个结果比科学家们预期的要多：之前对两个类似天体 (也是s 型小行星) 进行过远程测量，其中一个含水30 ppm，另一个则含水300ppm。

不可能的来源

水是由氢和氧组成的。但这些元素以不同的同位素形式出现——这意味着它们的原子核中可能有不同数量的中子。研究人员研究了这些水的氢同位素组成，发现它与地球的氢同位素组成非常接近，表明地球上的水与隼鸟号带回的颗粒上的水来源相同。

研究结果带来了一些有趣的问题。首先，“非水合矿物”中怎么出现了这么多的水？文章作者认为，在它们形成的过程中，颗粒吸收了原行星盘中的氢，在太阳星云的高温和高压下，氢与矿物质中的氧结合产生了水。

图注：两颗被研究的Itokawa颗粒的原始形态。

图源：JAXA(日本航天局)，由Z. Jin编辑。

到目前为止，研究人员的猜测都是合理的。但水怎么可能留在矿物中呢？它们毕竟来自于一颗 s 型小行星——一颗形成于太阳系内部较热部分的小行星。Itokawa具有复杂的热变质和碰撞历史，温度至少高达900°C。 然而，研究人员使用了计算机模型来预测这些过程中会损失多少水 ：结果却不到总量的10％。

地球上的水

但是这一切与地球上的水有什么关系呢？ 据研究人员推测，在颗粒从原行星盘上吸收水分之后，这些矿物聚集在一起，形成小石块，最终形成更大的天体，如小行星。

如果这种形成机制适用于小行星，它也可能适用于地球。也许地球上原始的水来自于这些矿物质，它们聚集在一起形成了地球。虽然水在地球早期的历史中已经消失，但在与大量的S型小行星碰撞的过程中，水又增加了。地球和小行星Itokawa之间氢同位素组成的相似性就暗示了这一点。

对于地球上水的起源的旧题新观给出了出人意料的结论。这个结论表明，大量的太阳系内部小行星可能含有比人们想象中更多的水。

因此，虽然太阳系里到处都是水，但是因为它们隐藏在矿物质内部，我们也没法取来解渴。

『天文时刻』 牧夫出品

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The Great Nebula in Carina Image Credit & Copyright: Dieter Willasch (Astro-Cabinet)