地球上的水是从哪里来的？从真实案例讲起
还记得前段时间成为“网红”的那颗花生状的天体吗？天文学家们给它起了个绰号“Ultima Thule”，也就是“天涯海角”的意思，它的正式名字叫“2014MU69”，编号486958，因为它早在2014年就被发现了。2019年1月1日，新视野号探测器在距离地球65亿公里的柯伊伯带找到了UltimaThule，对它进行了探测并拍下了照片。“天涯海角”，它的正式名字叫“2014MU69”这个长的既像花生又似雪人的家伙个头可不小，它长约35公里，最宽处也有20公里宽。并且，在它的表面已经发现水冰、甲醇和有机分子的光谱，科学家们判断它主要由无定形水冰和岩石材料组成，这表明2014MU69实际上是一颗彗星。彗星与柯伊伯带一种成熟的理论认为地球上的水来自于太阳系外围众多的彗星，它们在与早期地球撞击的过程中将携带的大量水留在了这里。与其它的一些彗星不同，“天涯海角”似乎从来没有接近过太阳，它始终在遥远寒冷的柯伊伯带内游荡，因此我们不会看它拖着一条粗长的尾巴划过夜空。而像哈雷彗星、哈尔波普彗星、以及著名的舒梅克列维9号彗星等等则有着典型的彗星特征，那是因为它们内部的水分子、挥发性有机物以及氢气在太阳光的加热作用下逃逸出来成为彗发，然后在太阳风的吹拂下形成彗尾。哈尔波普彗星我们肉眼所见的所有彗星都已经经历了漫长的旅程，它们从距离地球60多亿公里外的柯伊伯带出发，有些甚至来自更遥远与寒冷的奥尔特云，沿着椭圆形轨道来到太阳附近，然后再次回到寒冷的太阳系外围，如此往复，直到坠落到太阳上，或者与途中的某颗行星相撞而灭亡，同时也将水带到了这些行星表面。有相当多彗星来自柯伊伯带，这里寂静寒冷，散落着数以亿计的星体残片和冰冷天体。尽管它们的数量庞大，有些天体也有几十千米大小，但你如果将它们聚拢在一起就会发现其总质量还不到地球的十分之一。由此可以看出，柯伊伯带里的天体之间有着相当大的距离。柯伊伯带示意图，黄色环为冥王星轨道柯伊伯带与小行星带相类似，但它比小行星带更宽阔，也更重一些，它是小行星带宽度的20倍，总质量也达到了其20~200倍。它们都是太阳系形成初期的残余物，小行星带里大多是岩石碎屑和金属，柯伊伯带由于更加远离太阳，它的主要成分是更轻的水、甲烷和氨凝结而成的冰。彗星在柯伊伯带真正的起源地被称为“分散的圆盘”，由于当初海王星被甩出来时造成的引力扰动，这个距离太阳大约100AU（天文单位，1AU=太阳到地球的距离）的区域没有其它地方稳定。在引力扰动的作用下，一些原本处于木星与海王星之间的冰体失去了角动量，它们得以从圆盘中脱离出来，进入到绕太阳运行的周期性椭圆轨道。这就是我们常说的拖着长长尾巴的彗星。哈雷彗星的天文照片更大的奥尔特云奥尔特云是我们太阳系中最遥远的地区。与行星和柯伊伯带的轨道不同，奥尔特云更像是一个围绕太阳系其余部分的巨大球壳。它就像一个由冰冷的空间碎片组成的巨大厚壁泡沫，其中可能有数万亿个直径大于1公里的物体，其中超过20公里直径的达到数十亿个，邻近物体相距可能有数百万公里。这里是那些长周期彗星孕育的摇篮。奥尔特云在太阳系位置的示意图，非等比例由于距离地球过于遥远，人们对奥尔特云的研究大多还只处于观察、计算与推测阶段。一般认为奥尔特云中的物质主要于水冰、固态的甲烷、乙烷、一氧化碳和氰化氢等物质组成，这些也是构成长周期彗星中的大部分物质。水从哪里来？彗星的长尾里被探测到大量的水分子，这说明彗星内部含有水，柯伊伯带的众多大小天体中也含有水。这些水是从哪里来的？它们又是如何产生的呢？我们知道水分子由两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接而成，氢是宇宙中最丰富的化学物质，约占所有重子质量的75％。氧产生于大质量恒星内部的核聚变反应，它在银河系中的丰度居第三位，仅排在氢和氦之后。由此可见，水的主要原材料在宇宙中不但不稀缺，反而还极其丰富。氢气可以很容易地在氧气中燃烧，发出热量并生成水，这说明氢与氧的化合作用所需的门槛并不高。水分子由氢与氧构成，它们之间通过氢键结合成水大质量恒星通常在星云中形成，这里散布着大量氢原子和氧原子。恒星的形成伴随着强烈的气体和尘埃风扩散。当恒星形成过程中巨大的冲击波向周围扩散时，它会压缩并加热附近星云中的气体，其中的氢与氧大量结合迅速产生出水。这些由恒星能量产生出来的水气会被继续向远处吹，随着距离的增加，它们冷却并聚集在一起，形成水冰。太阳系中的水在太阳形成之初就产生了水不仅在太阳系中大量存在，根据观测，它在银河系中也分布广泛。1998年，天文学家在距离地球1500光年的猎户座大星云附近的星际气体云中发现了大量的水蒸气，这些水的总量足以填满地球的所有海洋约100万次，并且科学家怀疑其实际含有的水量可能有我们检测量的50倍之多。猎户座星云中存在大量水气2011年，科学家又在距离地球超过120亿光年的一个类星体周围发现大量水物质，它含有的水量相当于地球海洋中所有水的140万亿倍，这些水构成的云团围绕在一颗黑洞的四周。尽管可能是因为这个类星体周围独特的环境造就了如此多的水，但这个发现的本身就充分说明水不仅存在于我们的地球、太阳系、银河系，它也在宇宙中普遍存在。与之相对应，依赖于水的智慧生命在宇宙中也有可能广泛存在，人类并不孤独。在类星体周围发现大量的水总结：水由氢和氧化合而成，这是两种宇宙中所占质量最多、分布最为广泛的元素，因此水极有可能在宇宙中普遍存在。在恒星形成的过程中，它会向四周发射强大的冲击波，这种冲击波通过压缩周围稠密星云中的氢和氧原子，使其结合为水分子。然后恒星风会将水分子吹送到更远的地方冷却聚集，从而形成固态的水冰。在远离太阳的柯伊伯带和奥尔特云中就有大量的水冰和其它固体物质，这些物质受引力扰动的影响结合成彗星天体，其中一部分脱离它们原先的轨道，围绕太阳做周期性运动直至消耗殆尽，这就是我们常见的拖着长长尾巴的彗星，彗星也会把一部分水带到地球。