新理論解釋了古代地球是如何變得如此潮濕的

當(dāng)?shù)厍騽傂纬蓵r(shí)，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(xué)的時(shí)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(tuán)隊(duì)最近提出了一個(gè)新的理論解釋水是如何首次到達(dá)地球的。

數(shù)十億年醞釀的謎團(tuán)

幾十年來，天體物理學(xué)家一直在努力解決水是如何到達(dá)我們這個(gè)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(yuǎn)的地方形成的冰和巖石的混合物，有時(shí)會(huì)被噴射到太陽。當(dāng)被太陽加熱時(shí)，它們會(huì)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(biāo)準(zhǔn)氫的比例 – 科學(xué)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(diǎn)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(yùn)送到早期地球干燥表面的天體機(jī)制。已經(jīng)出現(xiàn)了許多理論來解釋小行星體的“擾動(dòng)”——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(dòng)，使它們飛向地球。這些事件需要一個(gè)復(fù)雜的“引力臺(tái)球”過程，這表明太陽系的歷史很動(dòng)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(gè)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(gè)繭是一個(gè)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(gè)新生的行星系統(tǒng)。

一旦這個(gè)保護(hù)性繭消散——幾百萬年后——小行星就會(huì)變暖，導(dǎo)致它們的冰融化，或者更準(zhǔn)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(gè)水蒸氣盤疊加在圍繞太陽運(yùn)行的小行星帶上。隨著冰的升華，圓盤中充滿了蒸汽，由于復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，蒸汽向內(nèi)擴(kuò)散到太陽。在此過程中，這個(gè)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(shí)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(huì)發(fā)生許多過程。

然而，在地球上，保護(hù)機(jī)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(huì)凝結(jié)成云，最終以雨的形式返回地表——這個(gè)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(huì)想，我是怎么得出這個(gè)新理論的。它源于最近的觀測，特別是使用 ALMA 進(jìn)行的觀測，ALMA 是一個(gè)由 60 多個(gè)天線組成的射電望遠(yuǎn)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(huì)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(hào)和 OSIRIS-REx 任務(wù)的最新數(shù)據(jù)提供了關(guān)鍵證實(shí)，這些任務(wù)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(wù)，以及地面望遠(yuǎn)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(gè)數(shù)值模擬來跟蹤冰的脫氣、水蒸氣的擴(kuò)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(shí)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(jì)一個(gè)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(jìn)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(jì)算，這些圓盤雖然很微弱，但應(yīng)該可以用 ALMA 檢測到。我們的團(tuán)隊(duì)剛剛在 ALMA 上獲得了時(shí)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(shí)代的黎明。

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

本文轉(zhuǎn)載自對話根據(jù) Creative Commons 許可。閱讀原創(chuàng)文章.

寶寶起名 起名