地球上的水，来自彗星吗？

大约在去年的这个时候，ISON吸引了地球上所有观星者的目光。在它的身影消失在天空不到一年后，罗塞塔的“第一次彗星接触”给人们带来了新的期望。这些大雪球从太阳系的边界一路而来，我们总是有无穷无尽的故事要讲。对你来说，它们可能只是一个美丽的夜晚，或者它们可能包含许多你想知道的科学谜题的答案。几千年来，人们似乎一直相信天空中这些长尾人物似乎与我们有着不可分割的联系。

2013年10月8日，柠檬山天文中心捕获了[彗星ISON。照片:Adam Brock/mount lemon sky center/亚利桑那大学]

例如，过去的科学告诉人们这样一个故事，彗星是地球上的水源。早在38亿年前，原始地球还是一个炽热而密集的火球，一个不可能有生命存在的地狱。然而，数不清的彗星穿过天空，造访了数千英里之外的地球。这些宇宙冰晶在重力的引导下融化到地球中，并向地球注入足够的水，从而为生命篇章的开始写下必要的序言。

这个故事很精彩，但是科学家发现的更多线索表明事情远非简单。彗星是地球上的水源吗？还是这是一个美丽的误会？地球上有多少可能的水源？这件事似乎需要好好讨论一下。

过去的神话让我们回顾一下最初的模型——为什么人们认为彗星是地球上的水源？这也从太阳系的早期历史开始。在太阳系诞生之前，我们的宇宙充满了超新星爆炸后留下的分子云残余，其中包含大量气体、水(冰尘)和固体粒子。在很长一段时间里，星云中的某个地方发生了重力崩溃。当坍塌大到足以引发氢的融合时，年轻的太阳就被点燃了。围绕这个引力源，原行星盘开始旋转和形成。常识告诉我们:离太阳越近，温度越高。在当时的原始行星盘中，一个天文单位(即太阳和地球之间的平均距离，约149，597，871公里)内的水不可能稳定存在。新生的太阳将最靠近它的内带的冰尘蒸发成稀薄的水蒸气，然后将它们和其他气体成分连同猛烈的太阳风一起吹向外层空间。直到温度降到冰点，它才慢慢凝固成冰块并沉淀下来，形成散布在太阳系外围的尘埃云。只有那些熔点高、比重大的物质，如硅酸盐、铁和镍等。，留在靠近太阳的内带。这些不能融化和吹走的“钉子户”经常相互碰撞和结合，最终滚雪球般变成巨大的石块，形成了今天的水星、金星、火星，当然还有我们的家园——原始地球。

[对原始行星盘的艺术想象。照片:美国宇航局/JPL-加州理工学院/特派尔]

因此，可以看出，我们地球所在的内太阳系，从一开始就是岩石行星的天堂。这里绝对不是沸点极低、比重极轻的“小同学”的地方，比如水。根据太阳设定的“规则”，水应该大量分布在外带，与内带的岩石行星没有缘分。火星、金星、水星，哪个不是一个光秃秃的死寂的世界？但是理想是非常脆弱的，但是现实是丰富的——我们真的生活在一个异常的星球上，那里有太多异常的水。

经过长时间的研究，科学家们找到了一条线索:似乎在宇宙的某个时刻，有机会将已经流回内部地带的水引渡回来。解决这个难题的关键就在不远的地方，它就在我们自己的卫星月球上。自从成功登陆月球以来，人类通过阿波罗任务收集了大量月球岩石，包括撞击事件中形成的岩石。虽然人们并没有千里迢迢去博物馆取回故宫的珍宝来庆祝，但他们起初并没有想那么多。他们只想测量这些岩石的年龄，看看每个陨石坑是什么时候形成的。自量子世纪以来，人类已经掌握了一种神奇的“黑色技术”——只要在岩石中能找到密封良好的同位素系统，半衰期原理就可以用来通过质谱测量岩石的形成年龄。因此，当人们将撞击事件的计算年龄放入时间坐标中时，发现它并不均匀地分布在每个时间轴上，而是异常地集中在38亿年的界限附近。更直截了当地说，月球上的绝大多数环形山是在大约38亿年后形成的，而很少是在其他时间形成的。

密集覆盖在月球表面的[环形山大多形成于38亿年前。照片:*/格雷戈里·里维拉]

这仅仅表明我们的月球在38亿年左右的时间里被异常密集的高频陨石击中，但是这和地球上的水有什么关系呢？请思考这两个微妙的问题:首先，这些“子弹头窗帘”是从哪里来的，还是只能从哪里来？第二，由于月球和地球的距离在整个太阳系的规模上根本算不上什么，如果数千块陨石在一次事件中击中一颗行星的小卫星，它的母星能逃脱吗？

基于地球和行星科学提供的实际数据，天体物理学家完善了这一理论:38亿年前，在早期太阳系中，新生的巨型行星(类木行星)并没有固定在适当的位置，它们仍然在摇摆不定地寻找合适的位置。然而，在动量守恒定律下，行星轨道的频繁变化必然伴随着巨大的动量交换。巨型行星释放的一点动量就足以完全改变小尘埃粒子的轨道，例如彗星和小行星，它们不能忍受被抛来抛去并“反弹”掉。结果，许多小天体被甩进了内带。这些重新飞进太阳系内带的陨石和彗星毫无疑问是一个接一个的炸弹，不加区别地轰炸了内带的所有岩石行星(类地行星)。到目前为止，这个38亿年前“轰炸任务”的新陨石坑仍然清晰地保存在地质过程几乎停滞不前的行星上，如水星和月球。这是地球历史上的第二大事件——晚期大轰炸(LHB)。

[最近的大轰炸可能已经导致地球捕获了大量的物质。照片:美国宇航局/JPL-加州理工学院]

智者很自然地从明确刻在月球表面的爆炸记录中看到了一些线索——在撞向地球的天体中有无数的冰块(彗星)。难道他们不能解释地球上巨大的水资源储备的来源吗？一旦这些水落入地球的引力圈，就不容易被太阳风赶走。正巧，38亿年也是地球熔融表面开始凝固成固体岩石的时候。因此，一个像神话一样的壮丽景象在科学的框架中变得清晰起来:那时，世界炽热的表面将许多彗星带入地球的水中，在原始大气中蒸发和富集。随着地球表面的冷却，大气中的水开始凝固，全球范围内无尽的暴雨从混乱的原始大气中倾泻而下，冲刷着地球新生的表面。天地终于被打开了，世界上第一次大洪水创造了最初的地球和最初的海洋。不久，人们在随后的岩石记录中发现了原核生物的遗骸。在冥河的尽头和太古代的开端之后，生命沐浴在年轻太阳的微弱光芒中。洪水过后，在伊甸园里，它第一次在这个星球上哭泣。

旧叙事的瓦解，科学创造的故事像神话一样壮丽，但科学毕竟不是神话。只要有证据，荒谬的故事就可以完成，完整的故事就可以瓦解。当新的证据像楔子一样楔入完美的叙事建筑时，坍塌只是一瞬间。

小贺战胜小贺的挑战仍然来自同位素。然而，这一次不是铀-铅、钾-氩、铼-锇、铷-锶这些用于测定岩石年代的放射性同位素，而是三个轻而稳定的兄弟:氢、氘、氘和氚这三种稳定同位素。

众所周知，同位素是指质子数相同但中子数不同的核素。质子数是元素的身份证，它规定了元素应该位于元素周期表的哪个位置。基于相同的质子数，原子核中的中子数可以不同。它们在元素周期表中的位置相同，所以被称为同位素。在氢的三种同位素中，普通氢(h，di)是最简单的，即一个质子加上一个轨道电子。它的两个兄弟有点复杂——分别是一个(氘)或两个中子(氚)。同位素是“痛苦的”。如果你是氘，并且比其他氢多一个中子，那么这就是你生活的记录和“阶级的标志”。既然化学反应不会改变原子核内的结构，只要没有涉及“拆核”的核反应，无论你走到哪里——无论是游离氢、水分子、角闪石晶格、生物大分子的碳链...你不能失去它。

氢的三种同位素:氘、氘和氚。照片:*/布鲁斯·布劳斯]

但是为什么氢同位素能表明地球的水可能不是来自彗星呢？

这是因为科学家们已经分别计算了地球水和三颗著名彗星——哈雷彗星、凯库特奇彗星和海尔波普彗星的D/H比。结果表明，彗星水的D/H比是地球水的两倍多。因为同位素具有相同的化学性质，在化学反应中没有任何特殊性，结果是只要它们来自相同的初始来源，即使它们随后进入不同的系统参与化学反应，同位素的平均分布比率基本上是相同的。众所周知，地球上的水循环及其与地球上其他物质的相互作用显然不涉及核反应。如果地球上所有的水都是由彗星带来的，那么D/H比应该是相同的。因此，科学家们认为，对于两者之间的显著差异，只能有一种解释，那就是彗星并不是为地球“开门”送水的勤劳的信使。

雅桑拉？

然后就没有然后呢？不，那就太多了。彗星似乎被赶走了，但问题又回来了。于是，新一波证据出现了。到目前为止，人们对地球水资源问题的看法一般分为两类:内生论和外生论。

自生理论持有的一个关键证据是，在太阳系形成之前，星云的残骸已经含有大量水分子，这些水分子可能在原始地球的形成中富集。然而，模拟表明，在形成过程中，类地行星很难将原始行星盘中的气态物质直接积累到原始大气中。更关键的问题是，自生成理论也面临着D/H比不一致的问题。科学家从木星和土星的甲烷中估计了原始太阳系的D/H比，发现它们的比值比地球的水的比值低得多。因此，自生理论实际上和彗星有着同样的问题，尽管也有人提出了像同位素分馏这样的补丁方案。然而，与其修补许多问题，它比国外来源理论更现实，后者相对来说更自我一致。这就是为什么本文详细介绍了LHB理论。

持有外生性理论的科学家们普遍认为，最好不要以后期的猛烈轰炸为前提。“错”的只是彗星，而不是LHB理论，后者已经获得了大量的行星地质证据和天体物理模拟。尽管彗星不可靠，但“炸弹”中仍有更多岩石小行星。如果它们落入地球，它们就是陨石。研究发现，碳质球粒陨石是一种富含水的物质，水的重量百分比甚至可以达到17%。更重要的是，这颗陨石的D/H比与地球的水非常一致，所以它将很快成为地球水资源的主导理论。

阿连德陨石的[切片，已知最大的碳质球粒陨石。照片:维基公共/美泰中国]

除了在地球表面寻找碳质球粒陨石，人们还想出了在小行星带运行良好的小天体的想法。这不是真的。最近，只要科学家在小行星带上发现一点水，他们总是认为他们很可能隐藏了解开水源之谜。在无数小行星上找到一点同位素比率相似的水并不困难，这些小行星的名字中都有数字。然而，根据上个月底的最新报告，人们似乎对一些天体感兴趣，甚至像灶神星。

这个故事还在继续，甚至彗星也说有很大的复兴潜力——毕竟有些人已经发出了这样的声音:毕竟，我们到目前为止只测量了三颗彗星的D/H比。它们能代表整个奥尔特云中的所有冰吗？仅仅用三颗彗星就能把所有的彗星源都完全排除在外，这似乎太武断了。

因此，罗塞塔任务的存在立刻变得重要起来。即使在欧空局为罗塞塔制作的视频“硬宽”中，“水”也是一个不可删除的关键词。

[·罗塞塔和菲莱的艺术想象。照片:esa–c.carreau/atgmedilab]

从某种意义上来说，尽管这一“大步”已经迈出，但似乎仍需坚定地迈出。罗塞塔和菲莱，以及所有那些打算玩彗星想法、小行星想法或其他宇宙物体想法的人，我们能最终向起源迈出这一大步吗？在未来，这真的取决于你。

好吧，只是着陆时不要迈出一大步...

摘要:随着对太阳系早期演化历史研究的深入，根据晚期重轰炸理论，人们一度认为彗星是地球上的水源。然而，由于地球上彗星和水的氢同位素比率不同，它们受到了极大的质疑。迄今为止，关于地球水起源的假说主要分为自生理论和外生理论。最主流的理解仍然是在晚期大爆炸的理论框架内进行的，碳质球粒陨石被认为是目前证据链最充分的可能来源。此外，一些人认为今天测量的彗星同位素数据量不足以覆盖奥尔特云中所有的冰状物体，因此不能完全排除彗星是地球上水源的可能性。