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地球要變成一個被海洋環繞、適宜居住的世界,首先必須經歷一番撞擊。一個廣為接受的假設認為,冰冷的彗星和小行星撞擊早期地球,從太陽系冰冷的外圍區域為地球帶來了水。
其他行星系統中類地岩石行星也可能透過相同的過程變得充滿水分,但評估遙遠的新生行星有多少冰可用一直具有挑戰性。然而,藉助歐洲航天局的赫歇爾空間天文臺,天文學家們已經很好地觀察了一個距離地球175光年的年輕恆星周圍行星系統的種子,而且似乎有足夠的水可以使用。
研究人員使用赫歇爾掃描了圍繞著1000萬年恆星 TW Hydrae 的原行星盤,這是可供研究的最近的原行星盤之一。(原行星盤是圍繞年輕恆星旋轉的塵埃和氣體盤,它們可以在數百萬年的時間裡凝聚,就像太陽的星盤一樣,形成類地行星和氣體巨星。)天文學家在10月21日出版的《科學》雜誌上報告稱,他們從 TW Hydrae 的星盤中接收到微弱的水蒸氣訊號,他們推測這水蒸氣來自更大的儲水層。研究人員估計,星盤冰冷的外圍部分可能包含足夠的水,可以注滿地球海洋數千次。
通常,探測遙遠的水儲藏受到地球自身大氣中大量水蒸氣的阻礙,地球大氣中的水蒸氣會模糊地面望遠鏡的視線。對於赫歇爾來說,這不是問題,赫歇爾是一個大型遠紅外/亞毫米波譜望遠鏡,它位於距離地球150萬公里處,遠在月球軌道之外。從其不受阻礙的有利位置,赫歇爾的光譜儀探測到少量水蒸氣從 TW Hydrae 的塵埃原行星盤中散發出來,距離恆星大約 100 個天文單位,或地球與太陽距離的 100 倍。
在距離 TW Hydrae 如此遙遠的地方存在水蒸氣,這表明恆星的輻射與星盤中的冰之間存在相互作用。“我們知道,在這些距離上,溫度非常低,應該會結冰,”主要研究作者米歇爾·霍格海德 (Michiel Hogerheijde)說,他是荷蘭萊頓天文臺的天文學家。但是,來自 TW Hydrae 的紫外線 (UV) 輻射應該會從原行星盤中冰冷的塵埃顆粒中釋放出一些水分子,這個過程被稱為光解吸。
在測量了光解吸產生多少水蒸氣後,霍格海德和他的同事們能夠大致估算出星盤中存在的冰量。“我們非常清楚這種光解吸過程的效率,”他說。“我們知道,我們需要一個相當於地球海洋數千倍的潛在儲水層,才能產生這麼少量的水蒸氣。”
TW Hydrae 加入了少數已被發現含有某種形式水的早期行星系統的行列,這些水以熱蒸氣的形式存在於靠近恆星的地方,或者以冷冰的形式存在於外部原行星盤中。然而,在過去的這些案例中,“實際上很難量化存在多少水冰,”霍格海德說。“我們一直認為應該有大量的水冰,但我們就是不知道,因為沒有資料。”
透過相對清晰地觀察一個可以與我們自己的行星系統進行比較的行星系統,天文學家現在可以更自信地思考遙遠的、充滿水的世界的存在。因為如果 TW Hydrae 發展出岩石行星,那麼行星系統外圍應該有大量的冰冷殘餘物,為這些行星提供水,這與彗星和小行星可能在數十億年前為地球提供水的方式非常相似。“如果為地球帶來海洋的機制發生在這裡,那麼它也可能發生在其他太陽系中,”霍格海德說。