[读懂科学]地球从太初起就有水吗？

Published 26 Jul.2023 06:00(KST)

JWST在岩石行星形成区域观测到水蒸气
在高温与恒星风下依然存在有别于既有理论
或成地球水源自生成理论的间接证据

水是地球生命体必不可少的要素。但水究竟从何时、以何种方式存在于地球之上，却无人知晓。关于其来源，目前仅有来自彗星、行星小天体等的外部输入说，以及自太初就存在的自身生成说两种假说。只是由于地球位于与太阳距离适中的“适居带”（Goldilocks Zone）之内，水得以保存，从而使生命得以繁衍。不过，最近被称为“人类之眼”的詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）获得了支持自身生成说的观测结果，引发关注。研究团队在一个充满气体和尘埃、正在形成类地行星的遥远恒星系中探测到了水。这意味着地球自最初形成时期起就可能已经蕴含着水。

詹姆斯·韦布太空望远镜观测到水蒸气存在的PDS 70恒星系统想象图。图片出处 NASA官网供图

美国国家航空航天局（NASA）24日（当地时间）表示，由德国马克斯·普朗克天文学研究所（MPIA）等机构组成的研究团队，分析了JWST中红外观测仪器（MIRI）的成像数据，确认在距离地球约370光年的原始恒星系“PDS 70”中存在水蒸气。该恒星系目前正处于恒星生成阶段。由气体和尘埃构成的内盘与外盘以约80亿公里的间隔分布，在两者之间已经形成了两颗气态巨行星。

研究团队在该恒星系内盘中，距中心恒星约1.6亿公里的岩石区——被推测为类地行星正在形成的区域——发现了水蒸气。此前也曾在其他恒星系的盘结构中观测到水，但像这次这样在与地球类似的岩石行星正在生成的区域发现水，在历史上尚属首次。

MPIA研究员Julia Perotti向NASA表示：“我们以前也在其他盘结构中发现过水，但都没有像这次这样靠近（中心），而且也不是在行星刚开始形成的恒星系中发现的。”她还称，“这是在韦布望远镜发射之前根本无法完成的观测”。MPIA所长Thomas Henning也解释说：“此次发现非常有趣，因为我们调查的是类地岩石行星通常形成的区域。”

此次发现水蒸气的PDS 70恒星被归类为比太阳更冷的“K型恒星”。其形成时间被推测为约5400万年前。与拥有其他行星形成阶段盘结构的恒星相比，它的年龄相对较大。因此，NASA表示，在这样一个系统中发现水蒸气更加令人惊讶。在行星形成阶段，随着时间推移，气体和尘埃会不断减少，这是因为它们要么被中心恒星的辐射热或恒星风吹散，要么聚集在一起，长成形成行星的更大天体。水也不例外。天文学家此前一直认为，水难以在强烈的恒星辐射下幸存，从而形成了有利于岩石行星形成的干燥环境。

目前尚未在PDS 70恒星系内盘中发现已经形成的行星，但类似地球、由硅酸盐构成的岩石行星的组成成分已经存在。在这种条件下发现水蒸气，意味着像地球这样的岩石行星，可能从形成初期就已经包含水。

那么，PDS 70恒星系中的水从何而来？可以解释的假说首先是：水一开始就存在于当地。也就是说，水分子可能是由氢、氧原子结合而自发生成的。另一种可能性是：位于低温外盘中的冻结宇宙尘埃分子迁移到了温度较高的内盘，在这一过程中冰融化并转化为水蒸气。

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也有疑问提出：为何在如此接近恒星的地方仍能保留水？通常恒星强烈的紫外线会摧毁并驱散任何形式的水分子。NASA推测，包围水蒸气的宇宙尘埃以及其他水分子可能起到了防护屏障的作用，使此次探测到的水蒸气得以保存。NASA表示：“接下来，研究团队将利用近红外照相机（NIRCam）和近红外光谱仪（NIRSpec），对PDS 70恒星系进行进一步观测。”

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。