古老的太空塵埃分析或可解開地球水的起源之謎
一個國際科學家團隊可能已經解決了關於地球水的起源的一個關鍵之謎，因為他們發現了有說服力的新證據。在最近發表在《自然-天文學》雜誌上的一篇論文中，一個來自英國、澳大利亞和美國的研究小組描述了對一顆古老小行星的新分析。該研究表明，當地球形成時，外星塵埃顆粒將水帶到了地球。
顆粒中的水是由空間風化作用產生的，這個過程中來自太陽的帶電粒子被稱為太陽風，改變了顆粒的化學成分，產生了水分子。
這一發現可以回答一個長期存在的問題，即富含水的地球是如何獲得覆蓋其表面70%的海洋的–遠遠超過我們太陽系中任何其他岩石行星。它也可以幫助未來的太空任務在沒有空氣的世界上找到水源。
行星科學家們幾十年來一直對地球海洋的來源感到困惑。一種理論認為，一種被稱為C-型小行星的載水空間岩石可能在46億年前地球形成的最後階段將水帶到了地球。
為了檢驗這一理論，科學家們之前分析了C-型小行星大塊的同位素“指紋”，這些小行星作為富含水的碳質球粒隕石落在地球上。如果隕石水中的氫和氘的比例與地球上的水相匹配，科學家就可以得出結論，C-型隕石可能是來源。
結果並不那麼明確。雖然一些富含水的隕石的氘/氫“指紋”確實與地球上的水相匹配，但許多卻不是。平均而言，這些隕石的液體“指紋”與在地球地幔和海洋中發現的水並不一致。相反，地球有一個不同的、略微淺的同位素“指紋”。
換句話說，雖然地球上的一些水來自C-型隕石，但形成中的地球必須從至少一個同位素較輕的來源獲得水，而這個來源來自太陽系的其他地方。
格拉斯哥大學領導的團隊使用了一種稱為原子探針斷層掃描的先進分析方法，仔細檢查了來自不同類型的太空岩石的樣本，即S-型小行星，它們的軌道比C-型小行星更靠近太陽。他們分析的樣本來自一顆名為“Itokawa”的小行星，這些樣本由日本空間探測器隼鳥號收集，並在2010年返回地球。
原子探針斷層掃描使研究小組能夠一次測量顆粒的原子結構，並檢測單個水分子。他們的發現表明，大量的水是在“Itokawa”的塵埃大小的顆粒的表面下通過空間風化作用產生的。
早期的太陽係是一個非常多塵的地方，提供了大量的機會在空間塵埃粒子的表面下產生水。研究人員認為，這種富含水的塵埃會與C-型小行星一起降到早期地球上，作為地球海洋的一部分。
格拉斯哥大學地理和地球科學學院的Luke Daly博士是該論文的主要作者。Daly博士說：“太陽風是主要由氫離子和氦離子組成的流，從太陽不斷地流向太空。當這些氫離子碰到像小行星或空間塵埃粒子這樣的無空氣表面時，它們會滲透到表面以下幾十納米的地方，在那裡它們可以影響岩石的化學成分。隨著時間的推移，氫離子的“空間風化”效應可以從岩石中的材料中噴出足夠的氧原子，從而產生水–被困在小行星的礦物中。”
“最重要的是，這種由早期太陽系產生的太陽風衍生的水在同位素上是輕的。這強烈地表明，被太陽風吹動並在數十億年前被捲入形成中的地球的細粒塵埃，可能是該行星缺失的水庫的來源。”
科廷大學地球和行星科學學院的特聘教授、該論文的共同作者Phil Bland教授說：“原子探針斷層掃描讓我們能夠令人難以置信地詳細觀察Itokawa上塵埃顆粒表面的前50納米左右的內部，它以18個月的周期繞太陽運行。它使我們能夠看到，這塊經過空間風化的邊緣碎片含有足夠的水，如果我們把它放大，每立方米的岩石將達到約20升。”
共同作者、普渡大學地球、大氣和行星科學系的Michelle Thompson教授補充說：“如果沒有這項傑出的技術，這種測量根本不可能實現。它讓我們對漂浮在太空中的微小塵埃顆粒如何幫助我們平衡地球水的同位素組成，並為我們提供新的線索，以幫助解決其起源之謎，有了非凡的見解。”
研究人員非常謹慎地確保他們的測試結果是準確的，用其他來源進行了額外的實驗來驗證他們的結果。
Daly博士補充說：“科廷大學的原子探針斷層掃描系統是世界級的，但它從未真正用於我們在這裡進行的那種氫氣分析。我們想確保我們看到的結果是準確的。我在2018年的月球和行星科學會議上介紹了我們的初步結果，並詢問在場的任何同事是否會用他們自己的樣品幫助我們驗證我們的發現。令我們高興的是，美國宇航局約翰遜航天中心和夏威夷大學馬諾阿分校、普渡大學、弗吉尼亞大學和北亞利桑那大學、愛達荷州和桑迪亞國家實驗室的同事都表示願意提供幫助。他們給我們提供了用氦和氘而不是氫輻照的類似礦物的樣本，從這些材料的原子探測結果中，我們很快就清楚地看到，我們在Itokawa看到的是外星的東西。”
“在這項研究中提供支持的同事們真的相當於一個研究空間風化的’夢之隊’，所以我們對我們所收集的證據感到非常興奮。它可以打開一扇大門，讓我們更好地了解早期太陽系的樣子，以及地球及其海洋是如何形成的。”
論文的共同作者、夏威夷大學馬諾阿分校的John Bradley教授補充說：“就在十年前，太陽風輻照與太陽系中水的起源有關，更不用說與地球海洋有關的概念，會受到懷疑的歡迎。通過首次顯示水在小行星表面就地產生，我們的研究建立在不斷積累的證據之上，即太陽風與富氧塵粒的相互作用確實產生了水。”
“由於在行星吸積開始之前整個太陽星雲中豐富的塵埃不可避免地被輻照，這種機制產生的水與行星系統中水的起源以及地球海洋的同位素組成直接相關。”他們對空間風化表面可能包含多少水的估計，也表明未來的太空探索者可以在即使是最看似乾旱的行星上製造水的供應。
研究共同作者、夏威夷大學馬諾阿分校的Hope Ishii教授說：“未來人類太空探索的問題之一是宇航員如何找到足夠的水來維持他們的生命並完成他們的任務，而不在他們的旅途中攜帶。”
“我們認為可以合理地假設，在Itokawa上產生水的相同空間風化過程將在某種程度上發生在許多沒有空氣的世界上，如月球或小行星Vesta。這可能意味著，太空探險家很可能能夠直接從行星表面的塵埃中加工出新鮮的水供應。想到形成行星的過程可以幫助支持人類在地球以外的生活，這是令人激動的。”
Daly博士補充說：“美國宇航局的Artemis項目正著手在月球上建立一個永久基地。如果月球表面有一個類似的水庫，由這項研究在Itokawa上發現的太陽風提供水源，它將代表一個巨大而寶貴的資源，有助於實現這一目標。”