新理論解釋了古代地球是如何變得如此潮濕的

當?shù)厍騽傂纬蓵r，它太熱了，無法保留冰。這意味著我們星球上的所有水都必須來自外星水源。

對古代陸地巖石的研究表明，液態(tài)水早在太陽形成后 1 億年就存在于地球上——在天體物理學的時間尺度上，幾乎是“立即”存在的。

這些水現(xiàn)在已經(jīng)超過 45 億年的歷史，通過地球的水循環(huán)不斷更新。我的研究團隊最近提出了一個新的理論解釋水是如何首次到達地球的。

數(shù)十億年醞釀的謎團

幾十年來，天體物理學家一直在努力解決水是如何到達我們這個年輕星球的問題。最早的假設(shè)之一表明，地球的水是地球形成的直接副產(chǎn)品，在火山噴發(fā)期間通過巖漿釋放，其中大部分排放的氣體是水蒸氣。

然而，在分析了地球的水成分并發(fā)現(xiàn)了冰冷的彗星，指向外星起源。

彗星是在太陽系遙遠的地方形成的冰和巖石的混合物，有時會被噴射到太陽。當被太陽加熱時，它們會產(chǎn)生引人注目的塵埃和氣體尾巴，從地球上可以看到。小行星，位于小行星腰帶之間火星和木星也被提議作為地球水的潛在祖先。

通過隕石（這些落到地球上的天體的小碎片）對彗星和小行星巖石的研究提供了重要的見解。

通過分析D/H 比率– 重氫（氘）與標準氫的比例 – 科學家發(fā)現(xiàn)，地球的水更接近“碳質(zhì)”小行星的水，這些小行星帶有過去水的痕跡。這將研究重點轉(zhuǎn)移到了這些小行星上。

最近的研究集中在確定可能將這些富含水的小行星運送到早期地球干燥表面的天體機制。已經(jīng)出現(xiàn)了許多理論來解釋小行星體的“擾動”——小行星和柯伊伯帶中大型冰冷的天體。

這些情景提出了引力相互作用，使這些物體移動，使它們飛向地球。這些事件需要一個復雜的“引力臺球”過程，這表明太陽系的歷史很動蕩。

雖然很明顯，行星的形成涉及重大的劇變和撞擊，但地球的水輸送有可能以更自然、不那么戲劇化的方式發(fā)生。

一個更簡單的假設(shè)

我首先假設(shè)小行星從它們的形成繭（也稱為原行星盤）中出現(xiàn)。這個繭是一個巨大的、充滿氫的圓盤，里面充滿了塵埃，行星和初始帶就是在這里形成的。它包圍了整個新生的行星系統(tǒng)。

一旦這個保護性繭消散——幾百萬年后——小行星就會變暖，導致它們的冰融化，或者更準確地說，升華。在壓力幾乎為零的太空中，水在此過程后仍以蒸汽形式存在。

然后，一個水蒸氣盤疊加在圍繞太陽運行的小行星帶上。隨著冰的升華，圓盤中充滿了蒸汽，由于復雜的動力學過程，蒸汽向內(nèi)擴散到太陽。在此過程中，這個蒸汽盤與內(nèi)行星相遇，將它們浸入一種“浴”中。

在某種程度上，圓盤為類地行星“澆水”：火星、地球、金星和汞.這種水捕獲大多發(fā)生在太陽形成后的 20 到 3000 萬年，在此期間，太陽的光度在短時間內(nèi)急劇增加，增加了小行星的脫氣速率。

一旦水被行星的引力捕獲，就會發(fā)生許多過程。

然而，在地球上，保護機制確保水的總質(zhì)量從捕獲期結(jié)束到今天一直保持相對恒定。如果水上升到大氣中太高，它會凝結(jié)成云，最終以雨的形式返回地表——這個過程被稱為水循環(huán)。

地球上過去和現(xiàn)在的水量都有據(jù)可查。我們的模型從原始小行星帶的冰脫氣開始，成功地解釋了形成海洋、河流和湖泊所需的水量，甚至是深埋在地幔中的水。

海洋中水的 D/H 比的精確測量也與我們的模型一致。此外，該模型還解釋了過去在其他行星上甚至月亮.

你可能會想，我是怎么得出這個新理論的。它源于最近的觀測，特別是使用 ALMA 進行的觀測，ALMA 是一個由 60 多個天線組成的射電望遠鏡陣列，位于智利海拔 5 公里的高原上。

對具有類似于柯伊伯帶的太陽系外系統(tǒng)的觀測表明，這些帶中的行星會升華一氧化碳 （CO）。對于離恒星較近的帶，例如小行星帶，一氧化碳太不穩(wěn)定而不存在，而水更有可能被釋放出來。

構(gòu)建模型

正是從這些發(fā)現(xiàn)中，該理論的最初想法開始形成。此外，來自隼鳥 2 號和 OSIRIS-REx 任務的最新數(shù)據(jù)提供了關(guān)鍵證實，這些任務探索的小行星與可能有助于初始水蒸氣盤形成的小行星相似。

這些任務，以及地面望遠鏡的長期觀測，揭示了這些小行星上的大量水合礦物——這些礦物只能通過與水接觸形成。這支持了這些小行星最初是冰的前提，盡管大多數(shù)小行星后來都失去了冰（像谷神星這樣的較大天體除外）。

有了模型的基礎(chǔ)，下一步是開發(fā)一個數(shù)值模擬來跟蹤冰的脫氣、水蒸氣的擴散以及它最終被行星捕獲。

在這些模擬過程中，很快就發(fā)現(xiàn)該模型可以解釋地球的供水。對火星和其他類地行星過去水量的額外研究也證實了該模型對它們的適用性。一切都很合適，結(jié)果可以發(fā)表了！

作為研究人員，設(shè)計一個有效且似乎可以解釋一切的模型是不夠的。該理論必須在更大規(guī)模上進行測試。雖然現(xiàn)在無法檢測到“澆灌”類地行星的初始水蒸氣盤，但我們可以查看具有年輕小行星帶的太陽系外系統(tǒng)，看看是否存在這樣的水蒸氣盤。

根據(jù)我們的計算，這些圓盤雖然很微弱，但應該可以用 ALMA 檢測到。我們的團隊剛剛在 ALMA 上獲得了時間來調(diào)查特定系統(tǒng)以尋找它們的證據(jù)。

我們可能正處于了解地球水起源的新時代的黎明。

昆汀·克拉爾， Astrophysicien à l'observatoire de Paris-PSL， CNRS， 索邦大學，Université Paris Cité

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