地球之水从何来?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
不足为奇,我们把地球称为“蓝色行星”。它是已知唯一有大量液态水体存在于表面的行星,为生命创造了条件。海洋和湖泊总共覆盖了71%的地球表面。
Kristina Grifantini 文 Shea 编译

小行星上存在冰的首个证据暗示太阳系中也许隐藏着比我们想象的还要多得多的水。

不足为奇,我们把地球称为“蓝色行星”。它是已知唯一有大量液态水体存在于表面的行星,为生命创造了条件。海洋和湖泊总共覆盖了71%的地球表面。

整个宇宙中水的形式多种多样。当行星形成时,原始太阳星云中的水和其他元素以及分子就会聚集起来。但是年轻的地球形成于星子的碰撞,这会把地球和它的岩石加热到极高的温度。这再加上距离年轻高温的太阳较近就会蒸干地球上的原始水,这暗示随着地球的冷却必定有东西把水送上了地球。由于生命与水密不可分,揭示地球上海洋的起源就会为生命是如何以及何时出现的提供引人入胜的线索。

水,到处是水

大约46亿年前当太阳系中的尘埃和矿物积聚到一起的时候,太阳附近的岩石和金属团块聚合成了诸如类地行星和小行星这样小而干燥的天体。在太阳系冰冷的外围,气体和水冰非常丰富,这些物质会变成大型的气态行星或者是含冰的彗星或者卫星。科学家们最初认为,这两个冷热区域的分隔线——被称为雪线——就位于靠近目前小行星带外边界的地方。

由于地球形成之初可能既热又燥,天文学家于是长期以来一直怀疑,撞击地球的彗星是填充地球海洋的主要天体。彗星起源自雪线之外,因此富含水。但是当天文学家通过光谱来分析从诸如哈雷彗星、百武彗星和海尔-波普彗星等几颗明亮的彗星升华出的水时,他们发现其中氢和氘(氢的一种同位素)之比仅仅是地球上海水的一半。这一差异似乎排除了彗星作为地球上水的主要来源的可能性。

最近在小行星带中的发现则提供了另一种可能。彗星通常被认为是位于长椭圆轨道上的冰质岩石球,它们在冰冷的外太阳系度过了绝大部分的时间;小行星则被认为是位于温暖内太阳系近圆轨道上的岩质原行星。20世纪90年代,天文学家开始在小行星带中发现了看似彗星拥有“尾”和“发”的天体。科学家们最初将其解释为是两颗小行星碰撞的产物,但2006年美国夏威夷大学的Henry Hsieh和David Jewitt则认为这些“尾”确实是由升华的冰所产生的,并且将这些天体定义为“主带彗星”。

在这之前一年,也就是2005年,美国康乃尔大学的Peter Thomas及其同事报告,哈勃空间望远镜的观测显示最大的主带小行星谷神星几乎呈球形,这意味着它的内部已经分层。根据谷神星相对较低的密度以及其表面附近含水矿物的光谱证据,Thomas提出谷神星拥有一个较厚的水冰幔。

“雪线并不是个简单的东西,”现在在美国加州大学洛杉矶分校的Jewitt说,“它并不像我们曾经所认为的具有固定不变的位置,而是会在大范围内移动,也许就扫过了小行星带中的大片区域——它在早期太阳系中会来回舞动。”

由于雪线的不确定性、彗星和地球上水之间的差异、新的主带彗星和谷神星可能含有水,天文学家开始怀疑地球上的水是否有可能来自彗星古老的表亲小行星呢?

 

水和技术文明

从微生物到哺乳动物,液态水是生命所必需的。即便完全被水覆盖,行星也依然会充满了不同的生物,就像地球上的海洋、湖泊和河流。但是技术文明除了水之外还需要干燥的陆地。诸如冶金、电子和火箭引擎这样的技术创新都需要干燥的环境。一个水下的爱因斯坦将会先努力发明火。

因此任何有可能拥有技术文明的行星应该同时拥有陆地和海洋。具有这两种表面的岩质行星普遍存在吗?《星际迷航》把“M级”岩质行星描述得如尘土一般繁多。但最近有关类地行星形成的研究应该会给我们泼上一盆冷水。

岩质行星最终可以积聚的水量取决于撞上它的小行星和彗星。对于不同木星质量、原行星盘质量以及恒星条件下这一随机过程的计算机模拟显示,一些岩质行星所获得的水只有地球的10%,而另一些却能得到地球海洋10~100倍的水量。因此岩质行星的水量可以相差1,000倍数甚至更多。

如果地球拥有两倍于目前的水,整个陆地就会几乎完全被淹没在水下,只有珠穆朗玛峰能勉强露出水面。一颗只拥有地球一半水量的行星其地幔会吸收掉绝大部分的水,仅在其表面留下一小部分。

地球精确的水量似乎是所有可能性中最黄金的比列。也许100颗岩质行星只有1颗正好具有合适的水量来避免沙漠行星或者是海洋行星的出现。但我们的好运并不是巧合。如果我们的地球不是如此这般的话,我们人类也就不会在这里思考这个问题了。

意料之外的水

即便是在发现主带彗星之前,撞击地球的小行星就被认为是潜在的水源。在小行星撞击残留下的陨石中,科学家发现了含有羟基的矿物。他们猜测一些小行星一开始是冰和岩石的混合体,但冰最终融化并通过化学反应形成了这些水合矿物。但是美国约翰·霍普金斯大学的Andrew Rivkin提醒说:“我们过去并不认为小行星带还留存有这些原始的冰。彗星被认为是含有冰的天体,但小行星不是,因为它们的温度太高了。”

尽管有了最近的这些发现,但只有少数科学家怀疑相对靠近太阳的岩质小行星仍会含有水。这恰恰是两个独立的小组在研究了距离太阳3.1个天文单位、直径192千米的司理星之后在2010年初所公布的结果。

当美国中佛罗里达大学的Humberto Campins开始用美国宇航局(NASA)位于夏威夷的3米红外望远镜(IRTF)观测司理星时,他并没有预期会发现冰。“这看起来似乎是不可能的。我们认为我们也许会发现水合矿物。”Campins说,但当他查看数据时,“我当时想,上帝呀,这看上去像冰。”

他联系了Rivkin及其合作者美国田纳西大学的Joshua Emery,后者可以使用同一架望远镜来观测司理星和其他的小行星。Campins的小组在一整个自转周期上观测了司理星,由此来推测其大致的表面地貌,而Rivkin和Emery则在2003年、2005年和2008年这三个不同的时间观测了司理星表面几个不同的纬度。“我们拥有完全独立的互补数据,”Campins说。

两个小组都采集了司理星所反射出的微弱阳光。光谱分析显示在3.1微米处存在一个凹陷,这一波长对应的正是水冰吸收红外光的地方。为了确定这是由水冰所造成的,Rivkin和Emery比较了诸如黏土矿物等其他物质的吸收谱特征,而黏土的水结结构会在波长2.8微米附近吸收红外光。“我们检查并排除了大量的可能性,由此来使我们自己信服,除了水冰之外不可能有其他东西能在光谱的这个位置形成这一宽度的吸收,”Emery说。这两个小组证实,他们发现了水冰和有机分子,并在2010年4月29日的《自然》杂志上发表了他们的论文。

“水冰的光谱证据有一点违反直觉,因为司理星的表面温度高到足以在数千年的时间里将水冰升华殆尽,”Emery说。但是由于这些冰均匀地散布于司理星的表面,因此Emery及其同事并不认为它是和彗星间的碰撞所残留下来的。这些表面的水冰必定是由司理星内部的大量储冰来维持的,而这些冰自打太阳系形成之时就已经在那儿了。

“司理星的结果虽不劲爆,但却是个惊喜,”Jewitt说,“它和许多小行星内部都含有水的想法完全相符,在绝大多数情况下冰上所覆盖的尘埃保护了它们免受太阳的加热。如果我们能看到从司理星上升华出的冰,那么它就有可能会被分类成一颗主带彗星。”Jewitt认为含冰小行星十分普遍,尤其是在主带的外围。他补充说:“由于我们只是在最近才具有了探测它们的能力并且到目前为止也仅仅发现了几颗,因此我们才认为它们是罕见的。”

寻找匹配

那么,小行星上的水和地球上的一样吗?“很不幸,我们无法测量司理星上水冰的同位素比例,”Emery说。科学家可以通过对彗尾或者彗发中升华的冰进行紫外观测来推测其同位素比例,但是司理星没有这些结构,而已知的主带彗星又都太暗弱无法进行这些观测。一些碳粒陨星具有和地球相同的氢氘比,但科学家并不知道当水形成水合矿物时这些同位素是否会发生改变。然而,其他的一些陨石物质(诸如氖和氙之间的稀有气体比例)却并不和地球上的相符。更多地了解小行星带中水冰的最佳办法是从司理星或者其他小行星上直接采样。

一些不同的任务已经被派往小行星来探测它们的表面矿物。2007年NASA向岩质小行星灶神星发射了“曙光”探测器,它将于2011年7月到达目的地。在围绕灶神星运转一年之后,它会飞往谷神星以此来更多地了解其备受怀疑的地下水冰。而就在2010年的夏天,日本的“隼鸟”探测器在访问了近地小行星糸川并尝试采样之后返回了地球。(研究小组仍在确定“隼鸟”是否采集到了来自糸川的尘埃颗粒。)提议中的OSIRIS-R Ex任务则将从近地小行星上采集回样本。

目前还没有计划前往司理星的任务,但是Rivkin、Emery和Campins将会继续观测司理星并寻找其他小行星上的水冰。使用IRTF和NASA的斯皮策空间望远镜,一个由西班牙加那利天体物理研究所的Javier Licandro领导的小组最近宣布在较司理星距离太阳稍远的原神星上发现了水冰。这一发现增强了有更多含冰小行星有待发现的可能性。

 

一个新的、改进的太阳系

太阳系行星轨道的长期稳定性已经被当作了它们就形成于目前所在位置的证据。但这也带来了问题。天王星和海王星的质量应该远比目前的小,因为这些距离婴儿期太阳数十亿千米远的原行星非常瘦小而且它们生长的过程也过于缓慢。相反,火星则应该具有10倍于目前的质量。此外,没有人真的了解为什么内小行星带中岩质天体(S型)占了主导而深色的富碳天体(C)则支配了外小行星带。

几年前通过把四颗巨行星放置在距离太阳5到12个天文单位的距离上天体力学家解决了天王星和海王星的两难境地。在这之后几百万年,木星的引力会把土星送入了一条宽振幅的轨道,引发一系列的密近交会,最终把天王星和海王星向外推到它们现在的轨道。

但是火星过小以及小行星带分层的恼人问题依然存在。在2010年10月召开的一次行星科学会议上,有人提出了形成四颗大小正确的类地行星以及分层小行星带的方法。然而,这要求重新审视木星和土星是如何迁移到它们目前所在位置的过程。

这一革命的舞台在2009年就已经搭建好了,当时美国加州大学洛杉矶分校的Brad Hansen用一种新的方法对内行星的形成建立了模型。他借鉴了脉冲星B1257+12周围近距离的地球大小行星,后者必定是在靠近脉冲星的一个有限高温物质盘中形成的。

他尝试着把这一过程用到太阳系身上,开始时在距离太阳0.7到1.0个天文单位的地方放置一个有限的盘,他的计算机程序会在盘中间形成一些较大的行星(“地球”和“金星”)而在内、外边缘处则会形成较小的行星(“水星”和“火星”)。

与此同时,其他人则在思考木星是如何设法避免成为一颗类似围绕其他恒星的热类木星那样近距离围绕太阳转动的行星的。早在1999年,理论家证明,由于和太阳原行星盘之间的潮汐相互作用,木星应该稍稍向内移动一点。但很快它又和土星以3:2共振的形式在引力上联系了起来,这意味着木星每绕太阳公转三周的时间恰好是土星公转周期的两倍。此时,这对行星会具有相反的方向并且向外运动。

Hansen的模拟包含了先向内然后又向外运动的气态巨行星,由此找到了答案。在这个会议上,和法国蔚蓝海岸天文台的Alessandro Morbidelli一起工作的Kevin Walsh描述了这些计算机模拟,最初木星被放置在距离太阳3.5个天文单位处,但随后它会慢慢向内运动到1.5个天文单位的地方(现在火星的所在地)。木星的引力所产生的摄动就像一部扫雪机,会把所有的岩质星子堆积成一个外边界在1个天文单位处的迷你盘。计算机模拟证实,这个截断的盘可以形成四颗类地行星——而且火星的质量也不会太大。

同时,木星向内的运动会清除2到4个天文单位区域中的小行星,把其中15%的成员抛射入土星之外的一个盘中。在与之相反的过程中,向外运动的巨行星会再一次散射这些天体,但这一次是向内,把它们送回现在的内小行星带。之后土星和木星会对距离太阳6到9个天文单位、由富碳和水的天体所组成的一个盘产生扰动。在巨行星的摄动下,它们也会被向内抛射,其中大部分最终会落户于目前的外小行星带,另一些则可能成为了地球上水的关键来源。

在由美国西南研究所的David Minton和Hal Levison所进行的类似模拟中,火星则形成于盘的中部,然后会向外迁移。迁移的火星会把富含铁的星子散射出这个盘并使得它们进入内小行星带,现今它们在那里十分普遍。

值得注意的是,如果没有质量足够大的土星来触发潮汐制动并且逆转木星和其自身的运动方向(土星通过3:2共振和木星捆绑在了一起),木星也许会始终向内运动,最终甚至更为靠近太阳。因此类地行星的形成和生存可能仰仗的并非是木星而是土星。

贯穿起来,这些理论家们通过一条途径就形成了四颗内行星(有着正确的大小和轨道)、一个有着富岩内边缘与富碳和水外边缘的小行星带、地球的一个水源(C型小行星)和一个有助于引发剧烈碰撞形成月球的近地环境。Walsh说,这一基本的图像代表了“我们对内太阳系演化认识的典型转变”。

“木星大航海”(Morbidelli这样称呼它)是否还有待未来进一步的检验?“就我而言,他们模型中的许多方面看上去都没有问题,”美国西南研究所的William Bottke评论道,“但是在他们宣布赢得了所有战役的胜利之前,许多微妙的机制必须要接受检验。”

挥之不去的谜题

除了地球上的水来自何方这个问题之外,科学家们还在争论地球上的原始水是何时流失的。一些人提出,地球形成初期的剧烈碰撞(例如形成月球的那次碰撞)会熔化地球的整个表面,使得它的外部变成一个熔岩海,进而蒸发掉所有的水。其他人则怀疑,地球上的原始水是在大约39亿年前晚期大规模轰击的过程中蒸发的,当时地球遭受到了大型天体的不断撞击。而其他人则给出了地球上的水在其形成时业已存在的证据。

就在前不久刚刚公布的结果显示,太阳系早期历史中的行星迁移会严重地扰乱大量小行星的轨道。特别地,木星和土星的迁移可能会散射形成于外小行星带中雪线之外、富含碳和水的小行星。它们中的一些会和地球相撞,把水带到地球。

除了小行星观测和太阳系模型之外,科学家也通过观测地球自身来了解水的起源。漂移的大陆和海洋地壳以及天气都已经抹去了地球形成的线索;目前已知最古老的地球岩石只有大约40亿年。但是有关水最早历史的线索则埋藏于被称为锆石的微小古代矿物颗粒中,它们中的一些可以追溯到43.8亿年前。锆石中含有同位素氧-18和氧-16。当有沉积矿物在液态水中形成时,它们更倾向于在晶格中混入氧-18而不是氧-16。这意味着,相对于海水或者是普通地壳,它们极其富含氧-18。最古老的锆石显示形成它们的母岩浆被具有这一特性的沉积物污染了。

“当这些微小的锆石结晶时,会保留下它们当时所处的熔化环境的信息,这其中也包括是否有水存在。它们就像是微缩的时间胶囊,”第一个进行古代锆石测量的、美国科罗拉多大学的Stephen Mojzsis说,“锆石的化学特性以及矿物杂质显示形成古老锆石的岩浆被沉积物污染了,这些沉积物并非形成于蒸汽或者是冰中而是在液态水里。综合起来,它们指出44亿年前地球上就已经出现了海洋;这也意味着水是在很早很早以前来到地球上的。”他补充说,因此晚期大规模轰击的撞击蒸干地球上的所有水几乎是不可能的。

除了地球上的海洋是何时出现的之外,我们仍然不知道今天的地球上有多少水。地质学家对于地幔中的水含量仅有一个大概的数字;估计值从10个海洋质量到仅比1个海洋质量多一点不等。确切的数字会对水的来源问题产生深远的影响。

无论有多少水被带到了地球上,在小行星带中发现冰至少部分地增强了水是由小行星带到地球上的可能性。“从小行星带中的水、柯伊伯带彗星中的水到构成地球的尘埃颗粒本身所携带的水,海洋可能有着多种源头,”Jewitt说,“其关键是搞清楚这些不同来源的相对贡献。”

随着我们搞清楚水是如何来到地球的,我们也会对水是如何抵达其他行星的有更好的了解。“无论我们发现水是通过何种机制被运送到地球的,它也就有可能为其他行星送去水,”Emery说。

地球上水的起源仍然未解,但主带彗星以及司理星和原神星上冰的发现暗示太阳系中也许有着远远多于当初想象的水源且有着多样化的源头。随着科学家不断发现有水之地并改进太阳系演化模型,他们将会以此为空间探测任务精选目标并真正了解地球是如何获得它的海洋的。

水和技术文明

从微生物到哺乳动物,液态水是生命所必需的。即便完全被水覆盖,行星也依然会充满了不同的生物,就像地球上的海洋、湖泊和河流。但是技术文明除了水之外还需要干燥的陆地。诸如冶金、电子和火箭引擎这样的技术创新都需要干燥的环境。一个水下的爱因斯坦将会先努力发明火。

因此任何有可能拥有技术文明的行星应该同时拥有陆地和海洋。具有这两种表面的岩质行星普遍存在吗?《星际迷航》把“M级”岩质行星描述得如尘土一般繁多。但最近有关类地行星形成的研究应该会给我们泼上一盆冷水。

岩质行星最终可以积聚的水量取决于撞上它的小行星和彗星。对于不同木星质量、原行星盘质量以及恒星条件下这一随机过程的计算机模拟显示,一些岩质行星所获得的水只有地球的10%,而另一些却能得到地球海洋10~100倍的水量。因此岩质行星的水量可以相差1,000倍数甚至更多。

如果地球拥有两倍于目前的水,整个陆地就会几乎完全被淹没在水下,只有珠穆朗玛峰能勉强露出水面。一颗只拥有地球一半水量的行星其地幔会吸收掉绝大部分的水,仅在其表面留下一小部分。

地球精确的水量似乎是所有可能性中最黄金的比列。也许100颗岩质行星只有1颗正好具有合适的水量来避免沙漠行星或者是海洋行星的出现。但我们的好运并不是巧合。如果我们的地球不是如此这般的话,我们人类也就不会在这里思考这个问题了。

一个新的、改进的太阳系

太阳系行星轨道的长期稳定性已经被当作了它们就形成于目前所在位置的证据。但这也带来了问题。天王星和海王星的质量应该远比目前的小,因为这些距离婴儿期太阳数十亿千米远的原行星非常瘦小而且它们生长的过程也过于缓慢。相反,火星则应该具有10倍于目前的质量。此外,没有人真的了解为什么内小行星带中岩质天体(S型)占了主导而深色的富碳天体(C)则支配了外小行星带。

几年前通过把四颗巨行星放置在距离太阳5到12个天文单位的距离上天体力学家解决了天王星和海王星的两难境地。在这之后几百万年,木星的引力会把土星送入了一条宽振幅的轨道,引发一系列的密近交会,最终把天王星和海王星向外推到它们现在的轨道。

但是火星过小以及小行星带分层的恼人问题依然存在。在2010年10月召开的一次行星科学会议上,有人提出了形成四颗大小正确的类地行星以及分层小行星带的方法。然而,这要求重新审视木星和土星是如何迁移到它们目前所在位置的过程。

这一革命的舞台在2009年就已经搭建好了,当时美国加州大学洛杉矶分校的Brad Hansen用一种新的方法对内行星的形成建立了模型。他借鉴了脉冲星B1257+12周围近距离的地球大小行星,后者必定是在靠近脉冲星的一个有限高温物质盘中形成的。

他尝试着把这一过程用到太阳系身上,开始时在距离太阳0.7到1.0个天文单位的地方放置一个有限的盘,他的计算机程序会在盘中间形成一些较大的行星(“地球”和“金星”)而在内、外边缘处则会形成较小的行星(“水星”和“火星”)。

与此同时,其他人则在思考木星是如何设法避免成为一颗类似围绕其他恒星的热类木星那样近距离围绕太阳转动的行星的。早在1999年,理论家证明,由于和太阳原行星盘之间的潮汐相互作用,木星应该稍稍向内移动一点。但很快它又和土星以3:2共振的形式在引力上联系了起来,这意味着木星每绕太阳公转三周的时间恰好是土星公转周期的两倍。此时,这对行星会具有相反的方向并且向外运动。

Hansen的模拟包含了先向内然后又向外运动的气态巨行星,由此找到了答案。在这个会议上,和法国蔚蓝海岸天文台的Alessandro Morbidelli一起工作的Kevin Walsh描述了这些计算机模拟,最初木星被放置在距离太阳3.5个天文单位处,但随后它会慢慢向内运动到1.5个天文单位的地方(现在火星的所在地)。木星的引力所产生的摄动就像一部扫雪机,会把所有的岩质星子堆积成一个外边界在1个天文单位处的迷你盘。计算机模拟证实,这个截断的盘可以形成四颗类地行星——而且火星的质量也不会太大。

同时,木星向内的运动会清除2到4个天文单位区域中的小行星,把其中15%的成员抛射入土星之外的一个盘中。在与之相反的过程中,向外运动的巨行星会再一次散射这些天体,但这一次是向内,把它们送回现在的内小行星带。之后土星和木星会对距离太阳6到9个天文单位、由富碳和水的天体所组成的一个盘产生扰动。在巨行星的摄动下,它们也会被向内抛射,其中大部分最终会落户于目前的外小行星带,另一些则可能成为了地球上水的关键来源。

在由美国西南研究所的David Minton和Hal Levison所进行的类似模拟中,火星则形成于盘的中部,然后会向外迁移。迁移的火星会把富含铁的星子散射出这个盘并使得它们进入内小行星带,现今它们在那里十分普遍。

值得注意的是,如果没有质量足够大的土星来触发潮汐制动并且逆转木星和其自身的运动方向(土星通过3:2共振和木星捆绑在了一起),木星也许会始终向内运动,最终甚至更为靠近太阳。因此类地行星的形成和生存可能仰仗的并非是木星而是土星。

贯穿起来,这些理论家们通过一条途径就形成了四颗内行星(有着正确的大小和轨道)、一个有着富岩内边缘与富碳和水外边缘的小行星带、地球的一个水源(C型小行星)和一个有助于引发剧烈碰撞形成月球的近地环境。Walsh说,这一基本的图像代表了“我们对内太阳系演化认识的典型转变”。

“木星大航海”(Morbidelli这样称呼它)是否还有待未来进一步的检验?“就我而言,他们模型中的许多方面看上去都没有问题,”美国西南研究所的William Bottke评论道,“但是在他们宣布赢得了所有战役的胜利之前,许多微妙的机制必须要接受检验。”

内容来自 火流星

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 天文萌新

    从外太空来的,太空很多水

  2. 蒋蒋蒋蒋

    从彗星抵而来吧

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