比太陽還老的水

2014/10/11 | | 標籤:

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水是地球生命生存的關鍵要素之一,也是評估其他行星上會否有生命的重要標準之一。而識別出地球上的水的原始來源,有助於讓科學家瞭解地球如何演化出適合培育生命的環境,以及如何在其他星球上尋找類似的環境。來自卡內基研究所(Carnegie)的Conel Alexander等人發現:太陽系中有許多水源自在星際空間形成的冰。

並不僅有地球上有水,其實整個太陽系都有水的蹤跡,如冰質彗星、冰質衛星,甚至水星表面陽光照不到的隕坑陰影中;而科學家也在來自月球和火星的隕石中發現水的蹤跡。尤其是由太陽系初始物質組成的彗星和小行星等,彷彿時光膠囊般,封存了太陽系早期的狀態的記憶。它們所含有的冰可以告訴科學家關於太陽誕生之後,環繞太陽周邊的冰究竟源自何處,這個問題已經困擾科學家很久了。

在太陽很年輕的時候,周圍有太陽星雲(solar nebula)形成太陽之後的殘留物質所構成的原行星盤(protoplanetary disk),行星就是從這個原行星盤中誕生。然而,科學家不清楚原行星盤中的冰,究竟是來自太陽星雲所屬的星際分子雲(interstellar molecular cloud)本身?還是原始星際分子雲中的冰已經被摧毀,而後又在太陽星雲中因為某種化學反應而再度形成冰?

這個問題之所以重要,是因為太陽系早期的水如果是承襲自星際空間的冰,那麼按理來說,在年輕太陽周圍原行星盤內,絕大多數地方,或甚至所有原行星盤內的冰和無生物期有機物質(prebiotic organic matter)應該不僅都是類似的型態,而且含量頗豐。但是如果水冰是在太陽正在形成過程中經由局部區域化學反應重新製造出來的,那麼在正在形成行星的原行星盤各處,不同地點的水含量是不相同的,如此一來,顯然生命也可能出現在地球以外的太陽系他處。

密西根大學(University of Michigan)L. Ilsedore Cleeves等人是以氫原子和它的同位素氘原子來進行太陽系水冰史的研究。氘原子比氫原子多了一個中子,兩者間的質量差異導致它們的化學反應行為也有微小的差異。如此一來。水分子中的氫氘比就可以讓科學家瞭解這個分子是在什麼條件下形成的。

例如:星際水冰的氘相對於氫的比例比較高,這是因為它們是在極低溫環境下形成的。到目前為止,科學家並不確定在太陽誕生過程中,究竟有多少這樣的氘被化學反應給弄沒了,也不清楚光憑新生的太陽系自個兒能製造多少富氘的水冰。

因此,Cleeves等人設計了一套電腦程式,模擬原行星盤中所有來自星際冰的氘都被化學過程消滅了,爾後在約長達100萬年的時間,太陽系啟動自行製造機制以產生新的氘元素。他們希望藉由這樣的模擬看看能否達到目前從隕石樣本、地球海洋和彗星中實際偵測到的氘氫比,結果發現都不相符,這顯示太陽系裡的水至少有一部份是源自太陽誕生之前的星際空間,比太陽的年齡還要老!而這也意味著或許在所有年輕行星系統中都能發現大量富含有機質的星際冰呢!

資料來源:Earth’s Water is Older than the Sun. Carnegie Science [September 25, 2014]

本文轉載自網路天文館


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