彗星向早期地球输送水的想法在过去十年中已经不再受欢迎,但对来自彗星的数据的新看法欧空局(ESA)罗塞塔号对标志性“橡皮鸭”彗星的任务重新开启了这种可能性。
水的化学组成非常简单:每个分子中只有三个原子(两个氢和一个氧)。它也是地球上最丰富的分子之一,我们星球的海洋中充满了大约100万亿吨液体。
这一切如何然而,最终到达地球仍然是个谜。一些科学家认为,虽然地球的地质过程可能产生了其中的一小部分,但大部分水可能是由地球沉积下来的。或者通过反复的、灾难性的碰撞。
弄清楚这两组中哪一组负责涉及一种特殊的化学特征,这种化学特征是由于水中的氢以两种不同的同位素或形式出现而产生的。大多数氢原子的原子核中只含有一个质子,而一小部分氢原子则含有一个额外的中子。化学特征涉及测量这种较重的氢同位素(称为氘)相对于其较轻的常规形式的含量(称为氘氢比或 D/H)。
“水中的 D/H 告诉我们冰是在什么温度下形成的,以及彗星形成时距太阳有多远,”凯瑟琳·曼特,一名行星科学家一项描述重新分析的新研究的通讯作者在一封电子邮件中告诉《生活科学》。 D/H值越低,离目标越远小行星或彗星诞生了。
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过去几十年的研究表明,地球的 D/H 比率与许多小行星和少数小行星的 D/H 比率相似。木星家族彗星— 一群彗星,大约每 20 年掠过太阳一次,其路径会受到木星引力的影响。
但 2015 年的一项研究确定的“橡皮鸭”彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko 的 D/H 值基本上结束了彗星的情况。 ESA 收集的 150 多个测量值的平均值罗塞塔任务在 2014 年航天器与彗星 67P 会合期间,D/H 值大约是地球的三倍。研究人员将此解释为彗星不太可能向地球输送水的证据。
曼特说,结果令人困惑,因为 D/H 值远高于其他木星家族彗星。另外,“这颗彗星的 CO(一氧化碳)和 N2(氮)含量应该比罗塞塔测得的要多得多,因为这些冰也是在非常冷的温度下形成的,”她补充道。
为了了解 67P 彗星明显较高的 D/H 比,曼特和来自美国、法国和瑞士研究机构的其他天文学家决定梳理整个罗塞塔数据集。使用由以下机构开发的创新统计技术雅各布·勒斯蒂格-耶格尔来自约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的研究小组识别出仅来自含氘水分子的信号,使他们能够整理大约 4,000 个 D/H 测量值。
研究人员发现,D/H 值沿着彗星的长轴变化很大,最高的是“核心”(类似于橡皮鸭的岩石部分)附近,并沿着彗尾逐渐减小。
研究人员在 11 月 13 日发表在《科学进展》杂志上的研究中写道,这种变化可能是由于彗星内部发生的过程造成的。当彗星接近时,彗星表面变暖,将气体和冰衣尘埃颗粒一起释放到彗发(在彗核周围形成的光晕)中。此前,不相关的实验室研究表明,与普通冰相比,含氘冰更容易粘附在尘埃颗粒上。科学家们意识到,这种尘埃颗粒在进入昏迷状态后,可以解释那里记录的高 D/H 值。
然而,研究人员指出,距离原子核约 75 英里(120 公里)的尘埃颗粒基本上已经干燥,这意味着它们缺乏任何可能产生虚假的高 D/H 值的富含氘的冰。仅利用在这个距离收集的数据,作者计算出彗星 67P 的实际 D/H 值仅为地球的 1.5 倍。
修改后的 D/H 值意味着“我们能够测量的所有木星家族彗星的 D/H 都更接近地球水的 D/H,”曼特说。这意味着彗星在灌溉地球方面发挥了主要而不是次要的作用。另外,她补充说,较低的 D/H 值表明彗星 67P 诞生时比科学家之前认为的更接近太阳。