【寰宇天文】地球的水從何而來?

■歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)的科學家利用Rosetta探測器研究了彗星中的水汽後,認為彗星可能不是地球上的水的主要來源。

Copyright Spacecraft: ESA/ATG medialab; Comet: ESA/Rosetta/NavCam; Data: Altwegg et al. 2014 and references therein
Copyright Spacecraft: ESA/ATG medialab; Comet: ESA/Rosetta/NavCam; Data: Altwegg et al. 2014 and references therein

撰文|陳勁豪

太陽系形成初期,星際塵埃在太陽周圍形成了行星盤。比較近的部份形成了水星,金星,地球,及火星。除了地球之外,這三顆行星的表面都是一片乾燥,所以理論上來說,夾在金星與火星之間的地球似乎也應該是如此。但是目前的地球表面確有超過百分之七十被水覆蓋,究竟這些水是怎麼形成的,科學家一直沒有確切的答案。

一個相當流行的解釋認為,地球上的水是由彗星帶來的。彗星通常是在太陽系形成初期,由外層行星環上的冰塊所形成的。在外側行星環的地方,太陽的能量無法融化冰塊,因此這些冰塊保存了太陽系形成初期的星際塵埃的成份。當彗星撞擊地球的時候,彗星撞地球時所產生的能量會將彗星的冰核汽化而形成大量的水汽,進而留在地球表面上形成目前的海洋。所以,如果地球上的水是由彗星撞地球所形成的話,那地球上的水應該會和彗星上的水具有相同的化學成份。

科學家選定的標籤是測量水中氘(D)跟氫(H)的比值。氘是氫的同位素,由一個質子跟一個中子所組成。科學家測量過11個彗星上的水汽的氘氫含量比,發現除了彗星103P/Hartley 2帶有跟地球水汽相同的氘氫含量比,其他十個彗星不論形成的位置為何,全部都帶有比地球更高的氘氫含量比。

繞著彗星67P/Churyumov–Gerasimenko的Rosetta探測器利用它所攜帶的ROSINA探測器(Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis)來研究這個彗星的水汽成份組成。水是由兩個氫原子跟一個氧原子所組成。ROSINA測量的方法是利用HD0和H2O的含量比,也就是其中一個氫被換成氘的水分子跟真正水分子的含量比,之後來回推氘氫含量比。研究結果發現,彗星67P/Churyumov–Gerasimenko不但幾乎是地球的測量值的三倍大,而且還是所有目前已經量測過的彗星中最高的氘氫含量比。這表示彗星似乎不會是地球上水的主要來源。

既然地球上的水不太可能是從彗星得來,那還有其他來源嗎?答案或許是太陽系中的小行星(asteroids)。這些通常都帶有跟地球類似的氘氫含量,所以說不定地球的水是因為小行星撞上地球後所產生的。

儘管如此,這些測量的彗星樣本依舊太少。科學家可能要研究能夠更大規模測量彗星的氘氫含量,才能得到更準確的訊息。

原始論文:
Science 2014/12/10
67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio
Science DOI: 10.1126/science.1261952

參考資料:
ESA 2014/12/10: Rosetta Fuels Debate on Origin of Earth's Oceans
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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

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