45億年前!你喝的水原來這麼古老,它們是如何形成的?

漫酱~ 2022/12/19 檢舉 我要評論

你絕對想不到,你喝的水和恐龍喝的水是一樣的。

最近,法國格勒諾布爾行星科學和天體物理研究所的天文學家Cecilia Ceccarelli和中國南京紫金山天文台的天文學家杜福君發表論文指出:我們目前喝的水,形成于45億年前。那個時候,太陽也剛剛形成,地球正處于形成過程中。也就是說,地球上的水和這顆行星一樣古老!

我們知道,太陽系形成于一片分子云,其內部主要元素就是氫,其次是氦,氧和碳。幸運的是,生命所必需的水恰好是由氫和氧這兩種含量較多的元素構成,這兩種元素的充足是生命出現的基礎。

第一階段:冷階段

不過,水的形成也不是一蹴而就的。在這些分子云中,還夾雜著少量的硅酸鹽塵埃和碳質塵埃顆粒。氫和氧都需要在漫長的歲月里機緣巧合地附著在這些小顆粒上,最終才能結合,形成水冰。

同樣是水,但水分子之間也有一些不同。我們知道,氫有三種同位素,分別是原子核只有一個質子的氕,也就是最常見的氫原子,還有原子核內分別包含一個和兩個中子的氘以及氚。只含有氕的水分子就是最常見的水分子,如果含有氘,那就是所謂的重水。氕和氘都是穩定的原子,它們可以從45億年前穩定保存到今天。

第二階段:原恒星階段

與此同時,分子云內的物質已經開始在引力的作用下相互聚集,逐漸形成原恒星。這些物質的重力勢能轉化為熱能,將附近空間的溫度加熱到100K左右,也就是-173℃,這里被稱為corino區域。這個溫度看起來極其寒冷,而且遠沒有達到水冰的熔點,但也足以讓一部分水冰升華為水蒸氣。

由于當時太陽也沒有完全形成,corino區域仍然殘留著大量的物質,水蒸氣更是其中含量最多的分子。研究人員認為,這里的水含量是今天地球海洋的10000倍左右。

第三階段:原行星盤階段

水冰好不容易在corino區域升華為水蒸氣,并且向外擴散。這里是原行星盤,未來將會形成地球等行星。由于離原恒星比較遠,溫度比較低,所以水蒸氣重新凝結。

在這里,水冰重新附著在塵埃顆粒表面,從此停止了孤獨的漂泊。這些塵埃顆粒,還是當初的那一批。可以說,它們對于水在太陽系內的保存有著重要的意義。

第四階段

此時,太陽系已經初步成型,太陽和八大行星以及小行星、彗星都差不多形成了。那些兩次被水冰覆蓋的塵埃顆粒各安所歸,有的形成了地球這樣的行星,有的形成了小行星或彗星,并且有一部分最后墜入地球,帶來更多的水資源。

這個過程可以解釋地球上的水是如何形成的,但我們無法回到45億年前去驗證這個理論。不過,這兩位天文學家還是找到了一些殘留了45億年的蛛絲馬跡,有助于追溯過往的歷史。他們發現的證據,就是重水和水的比例,也就是水中氘和氕的比例。

氘不是隨時都能形成的,而是在宇宙大爆炸之后的一段時期里,在僅僅幾秒鐘的特殊階段形成的,所以含量并不多。在宇宙中,平均每10萬個氕之中才會有一個氘,這在形成太陽系的分子云中也是一樣的。如果氘真的平均分散到分子云的水分子中,那麼地球上的水中應該只有1/10萬是重水。

但實際情況并非如此,在corino區域內,含有一個氘的水分子的含量幾乎達到了普通水的1/100。而同時含有兩個氘的重水的比例,更是比理論上高了1000萬倍。研究人員指出,導致這個現象的根源就在于上面提到的水冰形成的第一階段,他們將這個現象稱為超級氘化。

不過,就像上面的過程中講到的,附著在塵埃顆粒上的水不只有第一階段的水冰,還有第三階段的水冰。而且如前面所說,corino區域的水儲量是目前地球上的10000倍,它們并沒有全都來到地球。因此,地球上到底有多少水來自于上面介紹的第一階段,成了一個謎。

所以,研究人員進行了更廣泛的研究,對太陽系的彗星、隕石乃至像土衛二這種含水的衛星進行了分析。同時,他們還對宇宙中其他正處于恒星形成階段的星云進行了觀測,因為這里發生的事和當初的太陽系是一樣的。

研究人員最后得出結論,地球上有1%~50%的水來自太陽系誕生的最初階段。雖然這個范圍非常大,看起來不是很精確,但仍然向我們揭示了這個重要的事實。這意味著,我們今天喝到的水,可能和當初恐龍得到的水是相同的來源。

在以往的研究中,科學家們普遍認為地球上的水大部分來自含水的彗星通過撞擊帶來的。這些彗星長期在太陽系最外圍的冰凍地帶奧爾特云,偶爾進入太陽系內部,就有可能撞上行星,把自己的水供給行星。

不過在這次研究中,這種理論遭受到了質疑。研究人員認為,地球上的水應該主要來自于星子。所謂的星子,就是構成行星的前身,包括處于原行星盤中的小行星、石塊或者顆粒等物質,它們攜帶著太陽系最早期的水,然后在行星形成的階段融入地球。

總而言之,根據本次研究,地球上至少有一部分水是在45億年前隨著星子來到地球的,它們是太陽系內最古老的水。不過,這個過程中的許多細節仍然懸而未決,它們和碳、分子氧以及磁場等因素都有關,研究人員還需要花更多的時間才能破解這些謎題。

我們知道,水對于生命的誕生來說至關重要,破解地球上水的來源之謎,也有助于我們理解地球如何變成了今天的水世界以及生命的誕生之謎。科學家認為,太陽系早期的水或許還包裹著有機物等構成生命的基本要素,它們一起來到地球,滿足了生命的基本條件。

這麼看來,說水是生命之源,真的一點也不夸張。地球的生命誕生之謎,或許就要在太陽系早期的水中尋找答案了。

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