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地球上的水,来自彗星吗?Comments>>

发表于 2014-11-29 07:59 | Tags 标签:,

去年差不多也是这个时候, ISON正凝聚着地球上所有观星者的目光。而距它的身姿消失于天际中仅仅不到一年,罗塞塔任务的“第一次彗星接触”又为人们注入了一份新的期待。我们总是和这些从太阳系边界远道而来的大雪球有着说不完的故事。它们之于你,或许只是夜幕中一道亮丽的身姿,或许则蕴含着众多你想知道的科学谜题的答案。千百年来,人们似乎都抱持着这样的信念:这些拖着长尾巴划过天际的身影,跟我们之间似乎有着说不清的羁绊。

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【2013年10月8日,美国莱蒙山天文中心拍摄到的ISON彗星。图片:Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona】

就譬如昔日的科学向人们传达出这样一个故事——彗星是地球上水的来源。遥在38亿年前的亘古时代,原始地球尚是一团炽热致密的火球,那是生命根本无法存在的炼狱,然而,却有无数的彗星划过重重天际,不远万里造访地球。这些宇宙的冰晶在地心引力的引导下融入大地,向地球注入充足的水分,从而为生命之章的开演,写下必要的序言。

故事很精彩,但科学家们发现的更多线索却表明事情远没这么简单。彗星到底是不是大地之水的来源?还是这终归是场美丽的误会?地球上的水究竟有多少种可能的来源?这事儿,似乎需要好好商榷商榷。

昔日的神话

先来回顾一下原先的模型吧——为什么人们会相信彗星是地球水分的来源呢?这还得从太阳系早期历史说起。在太阳系诞生之前,我们这片宙域弥漫着某颗超新星爆发后残留的的分子云遗骸,里面包含着大量的气体、水(冰尘)以及固体颗粒。在悠久的时光中,星云中的某处发生了引力坍缩,当坍缩的幅度足以启动氢的聚变时,便点燃了年轻的太阳。围绕着这个引力源,原行星盘(Protoplanetary Disk)开始旋转形成。常识告诉我们:越靠近太阳的地方温度越高。在当时的原行星盘中,距太阳一个天文单位(Astronomical Unit,AU,即太阳-地球平均间距,约149,597,871 km)之内的水分都是无法稳定存在的。新生的太阳,将离它最近的内带冰尘蒸发为了稀薄的水蒸汽,进而用猛烈的太阳风将它们和其他气体组分一道吹向外侧空间,直到温度降至凝固点的地方才慢慢固结为冰块就位下来,构成弥散于太阳系外带的尘埃云。只剩下那些熔点又高、比重又大的物质——比如硅酸盐、铁镍等滞留在靠近太阳的内带。这些融不掉又吹不走的“钉子户”在内带频繁地碰撞、粘结,最终如滚雪球般裹成一个个巨大的石头疙瘩,形成了今天的水星、金星、火星,当然,还有我们的家——原始地球。

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【原行星盘的艺术想象图。图片:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle】

由是可见,我们地球所在的太阳系内带,打一开始就是岩石行星们的乐园,完全不是水这种沸点极低比重极轻的“小同学们”该呆的地方。按照太阳定下的“规矩”,水分理应大量分布在外带,天生与内带的岩石行星没有缘分。火星,金星,水星,哪个不是干秃秃的死寂的世界?但怎奈理想很骨感,现实却很丰满——我们的确实实在在地生活在一个例外的星球上,这个星球上有着太过例外的水分。

经过长期的研究,科学家们找到一个线索:似乎宇宙的某个时刻出现了某种契机,将这些早已飞得远远的水分又重新引渡回了内带。解开谜题的关键其实并不远,就在我们自己的卫星——月球上。自打成功登月以来,人类通过阿波罗任务采回了大量月岩样本,其中包含着形成于撞击事件中的岩石。虽然人们不远万里取回这些月宫的宝贝并不是为了放在博物馆里庆功的,但一开始确实也没想那么多。他们只是想测测这些岩石的年龄,看看每一个撞击坑都是啥时候形成的。自量子世纪以降,人类便掌握了一种很神奇的“黑科技”——只要能够在岩石中发现封闭性良好的同位素体系,便可以引用半衰期原理,用质谱仪测出这石头形成的年龄。于是,当人们把算出的撞击事件年龄投入时间坐标时,发现并非均匀地分布在每段时间轴上,而是异常集中于38亿年这个界限左右。更直白地说便是:现在月亮上那些密密麻麻的陨石坑,绝大多数都是在38亿年左右形成的,形成于其他时间的则非常少。

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【月球表面密布的陨石坑,多是38亿年前附近形成的。图片:wikicommons/Gregory H. Revera】

这无非表明咱们的月亮在38亿年左右遭受过异常密集的高频度陨石撞击罢了,可这跟地球上的水又有什么关系呢?请想一想这样两个很微妙的问题吧:一、这些撞过来的“弹幕”来自何方,或者说只能来自何方?二、由于月-地间距在整个太阳系尺度下根本不算个事儿,在一次事件中,如果有成千上万的陨石撞上一颗行星的小小卫星,它的母星能逃过吗?

在地球与行星科学所提供的实际数据基础上,天体物理学家们完善了这个理论:38亿年前的太阳系早期,刚诞生的巨行星们(类木行星)位置并不固定,它们还在晃晃悠悠地找地方就位。而在动量守恒这么一条铁律下,行星的频繁变轨,必然伴随着巨大的动量交换。巨行星稍微释放出一点动量,就足以彻底改变彗星、小行星这类经不起折腾的渺小尘埃们的轨道,将其“弹飞”。于是,无数的小天体就被荡进内带了。这些重新飞进太阳系内带的陨石和彗星无疑就是一颗颗的炸弹,朝内带所有的岩石行星(类地行星)进行无差别的轰炸。至今,在那些地质作用近乎停滞的星球譬如水星和月球上,还清晰地保留着38亿年前的这次“轰炸任务”的新鲜弹坑。这就是地球历史的第二幕大事件——后期重轰炸(Late Heavy Bombardment,LHB)了。

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【后期重轰炸可能让地球捕获了不少物质。图片:NASA/JPL-Caltech】

聪明人自然从这次确凿地刻在月面的轰炸记录中看出了些许端倪——撞入地球的天体中有无数的冰块(彗星),不恰恰能够解释地球上巨大水储量的来源吗?这些水分一旦落入地球的引力圈内,便不容易被太阳风给赶走了。正好,38亿年也是地球的熔融表层开始凝固为固态岩石的时代,于是,一个如同神话般的壮阔光景,便在科学的框架中清晰了起来:当时,全球熔融的炽热地表,将无数彗星带入地球的水分蒸发,富集在原始的大气中。而随着地表的冷却,水分开始从大气中凝固,全球尺度的无尽豪雨,从混沌的原始大气中倾泻而下,冲刷着地球新生的地表。天地终辟,洪荒始开,此世的第一次大洪水,创造出原始的大地与原始的海洋,未经多时,人们便在随后的岩石记录中找到了原核生物的遗迹。冥古宙落幕、太古宙开场,生命沐浴着年轻太阳那稀薄的光辉,在大洪水之后的伊甸园中,发出了它在这颗行星上的第一声啼鸣。

旧叙事的瓦解

科学塑造出的故事固然一如神话般壮阔,但科学却终究不是神话。只要有证据,再荒诞的故事也可以成全,再完备的故事可以瓦解。当新的证据如楔子般楔入那完美的叙事大厦时,倾颓,便只是一瞬间的事儿了。

成也萧何败萧何,挑战依然来自同位素。但这次却不是U-Pb、K-Ar、Re-Os、Rb-Sr这些用以给岩石测年的放射性同位素,而是身轻体稳的三兄弟:氢的三个稳定同位素,氕、氘、氚。

众所周知,同位素是指质子数相同而中子数不同的核素,质子的数目便是元素的身份证,它规定元素应该位于周期表的哪个位子里。而在质子数不变的基础上,原子核内的中子数却可以不同,它们共同占着周期表中的同一个位子,所以叫“同位素”。在氢的三种同位素中,普通氢(H,氕)是最简单的,就是一个质子加一个围着转的电子。它的两兄弟则相对复杂一点——分别多出一个(D,氘)或者两个中子(T,氚)。同位素是“很惨”的,假比你是氘,比别的氢多了1个中子,那么这就是你一生的档案,是“阶级烙印”。由于化学反应不改变原子核内的结构,因此只要不涉及“拆原子核”的核反应,无论你走到哪儿——无论身为游离氢,还是进入水分子、进入角闪石晶格、进入生物大分子的碳链……你都丢不掉它。

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【氢的三种同位素:氕、氘和氚。图片:wikicommons/Bruce Blaus】

可为什么氢同位素能指示地球水很可能并非来自彗星呢?

这是因为,科学家们分别统计了地球水、以及三个著名的大彗星——哈雷(Halley)、百武(Hyakutake)和海尔波普(Hale-Bopp)的D/H比,结果发现彗星水的D/H比居然比地球水高出了两倍多!由于同位素的化学性质一样,在化学反应中不具有任何特殊性,带来的结果便是:只要来自同一个初始来源,哪怕随后分别进入不同系统中参与化学反应,其同位素的平均配分比大体也是不变的。众所周知,水在地球上的循环以及与地球其他物质之间的作用显然不涉及核反应,如果地球上的水全是彗星带来的,那按说D/H比值应该一样才对。所以,科学家们相信,两者显著的差异只能有一种解释,那就是:彗星,其实并不是给地球“开门送水”的那个勤劳的快递员。

然后呢?

然后没有然后了么?不,然后就太多然后了。彗星似乎被赶走了,但问题却回来了。于是新一波证据推了过来。截止当下,人们对于地球水来源问题所持的观点大体分为两大类:自生说(Endogenous)和外源说(Exogenous)。

自生说所持一个关键性证据是,在太阳系形成之前,星云遗骸中已然赋存着大量的水分子,这些水分子可能在原始地球形成中富集下来。但是模拟表明,类地行星在形成过程中很难直接把原行星盘里的气态物质吸积为原始大气。更关键的问题在于:自生说同样要面对D/H比不一致的问题。科学家们通过木星和土星中的CH4推测出原始太阳系的D/H比,发现它们相较于地球水的比值又低太多了。所以,自生说其实出现了跟彗星同样的问题,尽管其间也提出过诸如同位素分馏之类的补丁方案。但与其一堆问题上修修补补,多少不如自洽性相对更完善的外源说来得更为实在,这也是为何本文要大篇幅介绍LHB理论的原因了。

持外源论的科学家们大体还是有一个共识的,就是后期重轰炸这个前提最好不要动。“错”的只是彗星,从来都不是至今已经获得了大量行星地质证据和天体物理模拟的LHB理论。彗星虽然靠不住了,但 “炸弹”里还有更多的岩石质小行星呢。它们落入地球,便是陨石。研究发现,碳质球粒陨石(Carbonaceous chondrites)是一种富含水分的物质,水的重量百分比甚至可达17%。更关键的是,这种陨石的D/H比与地球水非常一致,因此很快便成为当下关于地球水来源的优势理论。

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  【已知最大的碳质球粒陨石——阿联德陨石(Allende meteorite)的切片。图片:wikicommons/Matteo Chinellato】

除了在地表寻找碳质球粒陨石之外,人们也打起了在小行星带里运行得好好的那些小天体的主意。这不,最近科学家们只要在小行星带上发现一点水分,就总觉得它们很可能隐藏着解开水之源的奥秘。在名字全是数字的无数不起眼小行星上找到一点同位素比值相近的水多少不是难事儿,可根据上个月底的最新报道,连灶神星(Vesta)这样的天体上似乎也出现了人们感兴趣的东西

故事还在继续,甚至彗星说也大有死灰复燃之势——有人终究发出了这样的声音:毕竟我们至今测的仅仅是三个彗星的D/H比,它们能代表整个奥尔特云的全部冰块儿吗?用区区3个彗星便将所有的彗星来源彻底打入冷宫,或许真的显得太武断了些。

所以,罗塞塔任务的存在便瞬间显得重要了起来。连欧空局为罗塞塔所做的视频“硬广”里,“水”也是那个挥之不去的主题词。

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【罗塞塔与菲莱的艺术想象图。图片:ESA–C. Carreau/ATG medialab】

从某种意义上说,这“一大步”虽然已经迈出,但似乎还有待于彻底踩扎实。罗塞塔和菲莱,以及所有准备打彗星主意打小行星主意或者打别的宇宙物件主意的人们,我们能否最终跨出这通向起源的一大步?将来,还真得看你们的了。

嘛,只要别字面意义地在着陆时弹飞一大步就行……

总结:随着对太阳系早起演化史研究的完善,人们曾经根据后期重轰炸理论认为彗星是地球水分的来源,但由于彗星和地球水的氢同位素比值不一致,因此遭到重大质疑。截止目前,关于地球水起源的假说主要分为自生说和外源说。最主流的认识依然是在后期重轰炸的理论框架内展开,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,也有部分人认为现今所测得的彗星同位素数据量并不足以囊括所有奥尔特云内的冰质天体,因此并不能彻底排除彗星是地球水分来源的可能性。

参考资料

  1. Hazel Muir (2007) Earth's water brewed at home, not in space, New Scientist.
  2. Wikipedia: Comet, Late heavy bombardment, Origin of water on Earth
  3. Drake & Campins (2005). Origin of water on the terrestial planets. Proceedings of the International Astronomical Union, Symposium S229(1):381-394.
  4. Andrew Fazekas, 2014, Oct. 30. Mystery of Earth's Water Origin Solved.
  5. Live Science: Where did Water Come From

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本文首发于果壳网-科技人栏目:地球上的水,来自彗星吗?,编辑:老猫

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