地球上一半的水在太陽(yáng)誕生前就已形成

丹尼爾·克萊里

對(duì)尋找外星生命的人來(lái)說這是個(gè)好消息：行星上水的分布比此前想象的更廣。一

個(gè)研究太陽(yáng)系水的起源的團(tuán)隊(duì)推斷，目前太陽(yáng)系所擁有的水，有一半出現(xiàn)于太陽(yáng)系誕生之前。也就是說，在形成太陽(yáng)系的塵云中，儲(chǔ)存了目前太陽(yáng)系一半的水。如果水能在這樣的塵云中形成，也許宇宙很多地方都可以找到水。

除地球外，我們?cè)谠虑颉⒒鹦?、水星、彗星以及巨大行星的冰冷衛(wèi)星上都發(fā)現(xiàn)了水。（詳見本刊2014年第2期《潮濕的太陽(yáng)系》）但水是哪里來(lái)的呢？我們知道，水形成于星際介質(zhì)的氣塵云中，恒星系就是星際介質(zhì)結(jié)合而成，但是當(dāng)新誕生的恒星開始發(fā)出光和熱的時(shí)候，水是不是被破壞了？還是此后水又重生了呢？或者說是不是原生的水在星球形成時(shí)幸存了下來(lái)并保留至今呢？

為了回答這些問題，密歇根大學(xué)安阿伯分校的天文學(xué)家L.伊西多爾·克里維斯領(lǐng)銜的一個(gè)團(tuán)隊(duì)集中研究了氘元素，氘是一種在宇宙大爆炸中與普通氫元素同時(shí)產(chǎn)生的重氫。宇宙中氫原子與氘原子之比為1000000∶26，但在地球和其他太陽(yáng)系天體上的水中，氘的存量是氫的6倍?？茖W(xué)家認(rèn)為，當(dāng)水形成時(shí)，形成富含氘元素的“重水”的反應(yīng)要比形成普通水的反應(yīng)稍快些，因而增加了水中氘的比例。

這種富含氘的水只有在特定條件下才會(huì)產(chǎn)生，即非常低的溫度（只有絕對(duì)零度以上幾十?dāng)z氏度）加上反應(yīng)所需的氧和某種電離輻射。星際介質(zhì)中擁有這些條件，那里的電離輻射是宇宙射線，是來(lái)自遠(yuǎn)空的顆粒高速劃過太空形成的。天文學(xué)家觀察到，星際介質(zhì)中的水富含氘，那可能就是太陽(yáng)系中水的來(lái)源。

然而，還有一個(gè)問題，星際水是否能躲過太陽(yáng)誕生時(shí)的劇烈變化。為了弄清這一點(diǎn)，克里維斯和他的同事開始研究太陽(yáng)形成后在孕育行星的氣塵原行星盤中是否還有同樣的水形成反應(yīng)。就像星際介質(zhì)一樣，氣塵原行星盤中有低溫和氧氣，但是否有足夠的電離輻射呢？

克里維斯團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)精細(xì)的模型， 模擬原行星盤內(nèi)產(chǎn)生水的化學(xué)過程。多數(shù)宇宙射線都被新星的磁場(chǎng)及其釋放的顆粒阻斷了，但是新恒星的X 射線和原行星盤的短壽放射性核素成了新的輻射源。研究者在《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表報(bào)告稱，這些放射源生產(chǎn)重水的速度特別慢?？死锞S斯說：“在這種條件下，1000000年也產(chǎn)生不了多少重水?！?/p>

因此，克里維斯團(tuán)隊(duì)估計(jì)，現(xiàn)在地球上大約50%的水早在45億年前太陽(yáng)誕生時(shí)就已經(jīng)存在了。星際介質(zhì)中的環(huán)境要比原行星盤的環(huán)境穩(wěn)定得多，因此很有可能到處都有水在等待行星的形成?？死锞S斯說：“我們發(fā)現(xiàn)的行星系數(shù)量不斷增加，使我們?cè)俅未_定了水在宇宙中普遍存在的可能性?！?/p>

美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家凱倫·維拉西說：“這是一個(gè)非常有趣的結(jié)果。多年來(lái)我們一直在爭(zhēng)論冰是不是星際遺產(chǎn)。其他研究組試圖模擬星際介質(zhì)中的云形成行星系的過程，以弄清冰能否躲避星系形成過程而繼續(xù)存在，但是結(jié)果不盡一致。這個(gè)方法卻簡(jiǎn)捷得多，只使用了大家熟悉的化學(xué)方法?！?/p>